Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.12, n.1, p.29-36, 2010
ISSN 1517-8595
29
INFLUÊNCIA DO TAMANHO DA GOTA E DO TEOR DE ÁGUA FINAL NO TEMPO DE
SECAGEM EM SECADOR ATOMIZADOR
Tatumi Kajiyama 1, Kil Jin Park2
RESUMO
Este trabalho foi realizado com o objetivo de simular e avaliar o desempenho de um secador
atomizador utilizando software Matlab. A avaliação foi feita em função do tempo de secagem
do alimento líquido para atingir um determinado grau de secagem. Foram conduzidas
simulações da influência do tamanho da gota (de 50 a 200µ m) e do teor de água final da
partícula sólida seca (de 0,05 a 0,3kgágua kgsólido-1 ). Concluiu-se que o tempo de secagem do
alimento líquido no secador atomizador aumenta com o aumento do tamanho inicial da gota e
redução do teor de água final da partícula sólida seca.
Palavras-chave: taxa de secagem, alimento. secagem por atomização
.
INFLUENCE OF DROP SIZE AND FINAL MOISTURE CONTENT ON SPRAY
DRYING TIME
ABSTRACT
The objective of the present research is to simulate and evaluate the performance of the spray
dryer. An assessment was made in function of the drying time needed to reach certain drying
levels. The simulations had the purpose of ascertaining the influence of the size of the drop
(from 50 to 200 µ m) and the dried solid particle final moisture content (from 0,05 to 0,3 kgwater
-1
.kgsolid ). We have concluded that the drying time required for liquid food in a spray dryer
increases as the initial size of the food drop increases, and as the final moisture of the dried solid
particle decreases.
Keywords: drying rate, food, spray dryer.
Protocolo 103.001-10 de 25/05/2010
1
Professor – Departamento de Tecnologia – Universidade Estadual de Feira de Santana. Br 116, km 03 Campus Universitário CEP:44031460 Feira de Santana – BA, Brasil. E-mail: [email protected].
2
Professor - Faculdade de Engenharia Agrícola – Universidade Estadual de Campinas. Caixa Postal 6011. CEP: 13084-971. Campinas-SP,
Brasil. E-mail: [email protected].
30
Influência do tamanho da gota e da umidade final no tempo de secagem em secador atomizador
INTRODUÇÃO
A secagem é uma das mais antigas
operações empregadas na preservação de
alimentos. Através da secagem é removida a
água do alimento que faz decrescer a sua
atividade de água, permitindo assim minimizar
a deterioração causada pelas reações
microbiológicas e enzimáticas. Esta redução da
atividade de água previne também as
modificações físico-químicas do produto,
permitindo o seu armazenamento por período
prolongado em temperaturas ambientais. A
secagem por atomização é a transformação de
um produto no estado fluido para o estado
sólido em forma de pó. Este processo é muito
utilizado nas indústrias alimentícias e
farmacêuticas devido ao curto tempo de
processo. O desenvolvimento de novos
produtos utilizando agentes encapsulantes, com
boa capacidade de emulsificação e baixa
viscosidade
da
solução
aquosa,
tem
impulsionado o estudo da secagem por
atomização. Atualmente os estudos de
microencapsulação na área de alimentos, que se
iniciaram com óleos essenciais para prevenir a
oxidação e a perda de substâncias voláteis e
controlar a liberação do aroma, se estenderam à
incorporação de aditivos naturais e ingredientes
(corantes, temperos, acidulantes, vitaminas e
minerais) que alteram a textura, melhoraram a
qualidade nutricional, aumentam a vida de
prateleira ou controlam as propriedades dos
alimentos processados.
Esta técnica de microencapsulação
protege esses ingredientes contra perdas
nutricionais e preserva ou mascara cor e sabores
(inibindo a reação com outros materiais), além
de incorporar aos alimentos mecanismos de
controle de liberação de certos componentes
(Ré, 2000). A microencapsulação pode ser
definida como um processo no qual uma
membrana envolve pequenas partículas de
sólido, líquido ou gás com o objetivo de
proteger o material de condições adversas do
meio, tais como luz, umidade, oxigênio e
interações com outros compostos, estabilizando
o produto, aumentando a vida útil e
promovendo a liberação controlada do
encapsulado em condições pré – estabelecidas
(Shahidi & Han, 1993). A secagem por
atomização é um dos métodos mais empregados
para a microencapsulação, devido à grande
disponibilidade de equipamentos, baixo custo
do processo, possibilidade de emprego de uma
ampla variedade de agentes encapsulantes, boa
retenção dos compostos voláteis e estabilidade
Kajiyama & Park
do produto final (Reineccius, 1988; Desai &
Park, 2005). O processo de secagem por
atomização é realizado através da dispersão de
gotículas do material dentro de uma câmara, na
qual o material fluido entra em contato com o ar
aquecido, na forma de nuvem ou spray. A
secagem de 1 m3 de líquido origina aproximadamente 2x1012 partículas uniformes de
diâmetro 100 µ m, equivalente a uma área
superficial de 60.000 m2 (Masters, 1979). De
acordo com o tamanho, as cápsulas podem ser
classificadas em nano (< 0,2 µm), micro (0,2 a
500 µm), ou macropartículas (> 500 µm) (Ré,
1998). O material a ser desidratado no spray
dryer pode estar na forma de solução,
suspensão ou pasta, resultando, após o
processo, em partículas isoladas, grânulos ou
aglomerados. Estas formas do produto obtido
dependem das propriedades físicas e químicas
do material, do projeto e operação do secador.
A qualidade dos produtos obtidos por
atomização depende das características do
atomizador e da transferência de calor e massa
entre o ar aquecido e as gotículas da câmara de
secagem (Furuta et al., 1994). O incremento na
área superficial do material a ser atomizado é
em função do aumento da velocidade de
secagem, sendo que o diâmetro das partículas e
o teor de água final dos produtos desidratados
em spray dryer são afetados pelas condições de
secagem. A atomização é resultante da
aplicação de energia, de forma a agir sobre o
líquido, até o ponto que ocorre o seu
rompimento e desintegração criando um spray
de gotículas. Existem diferentes técnicas de
atomização concebidas a partir de diferentes
formas de energia aplicadas sobre o líquido,
sendo comum em todos os atomizadores o uso
de energia para romper o líquido. A
classificação dos atomizadores está relacionada
à energia centrífuga, devido à pressão e
cinética. Existem também os atomizadores
ultrassônicos e vibratórios. Duffie & Marshall,
1953, relatam o pioneirismo de Lorde Rayleigh
por em 1878 postular matematicamente o
fenômeno de ruptura de líquidos em bicos,
causada, principalmente, pela instabilidade
provocada pelas forças de tensão superficial dos
jatos de líquido descarregados no ar. A predição
do tamanho da gota resultante da ruptura do
jato pode ser expressa em função do diâmetro
do bico pulverizador. Esses autores apresentam
as variações na concentração de alimentação,
variações na temperatura de alimentação,
variações na temperatura do ar, variações nos
métodos e condições de atomização, diferenças
nas propriedades físicas e químicas do material
Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.12, n.1, p.29-36, 2010
Influência do tamanho da gota e da umidade final no tempo de secagem em secador atomizador
de alimentação como sendo variáveis que
afetam as propriedades do pó obtido. As
principais vantagens da secagem por
atomização são: as propriedades e a qualidade
do produto que são mais eficientemente
controladas; os alimentos sensíveis à
temperatura, como produtos biológicos e
farmacêuticos podem ser secos à pressão
atmosférica e baixas temperaturas; grandes
produções em operação contínua, com
equipamento relativamente simples; produção
de partículas relativamente uniformes e
esféricas com aproximadamente a mesma
proporção de compostos voláteis do produto
inicial e a eficiência é comparável a outros tipos
de secadores diretos e baixo custo de processo
(Filková & Mujumdar, 1995). Conforme Park
et al. (2007), o objetivo da análise da secagem é
sempre fazer à predição de tempo de secagem.
A predição do tempo de secagem é o dado
fundamental para o dimensionamento e a
otimização de uma planta industrial de
secagem. As taxas de secagem devem ser
relacionadas para um determinado produto e
para uma determinada operação (processo e
equipamento). A evolução das transferências
simultâneas de calor e de massa no decorrer da
operação de secagem faz com que esta seja
dividida esquematicamente em três períodos,
onde são analisadas as curvas de evolução do
teor de água do produto, de sua temperatura e
da velocidade de secagem, também chamada de
cinética de secagem, ao longo do tempo, para
um experimento utilizando ar de propriedades
constantes. O primeiro período representa o
início da secagem. Nesse período ocorre uma
elevação gradual da temperatura do produto e
da pressão de vapor de água. Essas elevações
têm prosseguimento até o ponto em que a
transferência de calor seja equivalente à
transferência de massa (água). O segundo
período se caracteriza pela taxa constante de
secagem. A água evaporada é a água livre. A
transferência de massa e de calor é equivalente
e, portanto, a velocidade de secagem é
constante. Enquanto houver quantidade de água
na superfície do produto suficiente para
acompanhar a evaporação, a taxa de secagem
será constante. No terceiro período, a taxa de
secagem é decrescente. A quantidade de água
presente na superfície do produto é menor,
reduzindo-se, portanto, a transferência de
massa. A transferência de calor não é
compensada pela transferência de massa; o
fator limitante nessa fase é a redução da
migração da água do interior para a superfície
do produto. A temperatura do produto aumenta,
Kajiyama & Park
31
atingindo a temperatura do ar de secagem.
Quando o produto atinge o ponto de equilíbrio
higroscópico em relação ao ar de secagem, o
processo é encerrado. No caso de secagem por
spray, observam-se os dois últimos períodos
durante o processo, isto é, o período de taxa
constante e decrescente. Singh & Heldmann
(1998) e Pereda et al. (2005), afirmam que a
maior parte da secagem acontece no período de
taxa constante e a transferência de matéria
ocorre na superfície das gotas. Uma vez
alcançado o teor de água crítico, a estrutura da
partícula passa a ser a causa da redução de taxa
de secagem, considerando-se como parâmetro
limitante a difusão da molécula de água no
interior da partícula semi-seca. O diâmetro da
partícula semi-sólida no ponto crítico varia
proporcionalmente ao tamanho inicial da gota
do alimento devido ao conteúdo de sólidos.
Portanto, o estudo da influência do tamanho de
gotas e do teor de água final no tempo de
secagem por spray é muito importante para se
entender o processo de secagem por spray.
MATERIAL E MÉTODOS
Matéria-prima
A matéria prima utilizada para a
simulação foi o produto lácteo concentrado
cujos parâmetros estão relacionados abaixo,
Singh & Heldmann (1998):
1. Tamanho do semi-sólido no período
crítico, d c = 45 µm;
2. Densidade do líquido, ρ l = 1000 kg.m-3;
3. Densidade da partícula seca, ρ s = 1300
kg.m-3;
4. Teor de água no líquido, base úmida, X 0BU
= 0,7 kgágua . kgproduto-1;
5. Teor de água do semi-sólido no período
crítico, base úmida, X cBU = 0,45kgágua
-1
.kgproduto ;
6. Teor de água final da partícula sólida, base
úmida, X fBU = 0,05kgágua . kgproduto-1.
O diâmetro da partícula semi-sólida no
ponto crítico varia proporcionalmente ao
tamanho inicial da gota do alimento devido ao
conteúdo de sólidos, no entanto a densidade da
partícula sólida seca e do teor de água crítico do
semi-sólido no ponto crítico não alteram
Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.12, n.1, p.29-36, 2010
32
Influência do tamanho da gota e da umidade final no tempo de secagem em secador atomizador
significativamente com a variação do tamanho
da gota
inicial.
Integrando a Equação 2, para a condição inicial
(t = 0; d = d0) e condição final (t = tc; d = 0), e
isolando o tempo tem-se:
Ar de secagem
tc =
As condições do ar ambiente considerado
foi 60 % de umidade relativa e temperatura
média de 30 ºC, observada em Feira de Santana,
BA. Este ar foi aquecido até 120 ºC antes de ser
utilizado na secagem do alimento. Após a
secagem, o ar atingiu a umidade relativa de
70%. A condutividade térmica do ar à 120 ºC é
de 0,0320 W. m-1.ºC-1.
Calor latente de evaporação da água
A secagem do alimento no secador
atomizador ocorre à pressão atmosférica e
temperatura de bulbo úmido a 40 ºC no período
de taxa constante. Nestas condições, o calor
latente de evaporação de água é de 2406,9
kJ. Kg-1. Durante a secagem no período de taxa
decrescente, a temperatura do alimento estará a
47 ºC e calor latente nestas condições será de
2390,1 kJ.kg-1. (Smith, et al., 2000).
Equipamentos
A câmara mais utilizada na secagem por
atomização de alimentos é do tipo cônico a
disco e de fluxo concorrente e neste trabalho foi
considerado a mesma, conforme pode ser visto
em Brennan et al. (1998).
Kajiyama & Park
ρ l λc d 02
8 K g (Ta − Tw )
(3)
O limite da integral para a condição de
contorno é igual a zero, pois neste período a
gota é considerada como um líquido puro.
Portanto, na condição de ponto de transição de
taxa constante para o decrescente o líquido puro
não contém sólidos.
A velocidade de evaporação em gotas
contendo sólidos é menor que a velocidade em
gotas de líquido puro. A presença de sólidos
provoca um decréscimo na pressão de vapor do
líquido. A formação de estrutura sólida altera o
processo de secagem, assim a taxa neste
período decrescente é expressa como:
dX − 12 K g (∆T )
=
dt
ρ s λd c2
(4)
Integrando a Equação 4, para a condição
inicial (t = 0; X = X cBS ) e condição final (t =
td; X = X BS
f ), e isolando o tempo tem-se:
td =
ρ s d c2 λd ( X cBS − X BS
f )
12 K g ∆Tm
(5)
Métodos
Portanto a equação para estimar o tempo
total de secagem, a soma das Equações 3 e 5,
será:
A transferência de massa e calor em
condições de escoamento turbulento ao redor da
gota líquida permite que a taxa de secagem seja
expresso como (Ranz & Marshall, 1952;
Heldman & Shingh, 1991):
t=
dX hA(Ta − Tw ) 2πdK g (Ta − Tw )
=
=
dt
λ
λ
(1)
Para a gota esférica movendo no ar a uma
baixa velocidade ( h =
2K g
d
) a Equação (1)
pode ser expressa como:
dt = −
λρ l
d (d )
4k g (Tain − Tbu )
(2)
ρ l λc d 02
8 K g (Ta − Tw )
+
ρ s d c2 λd (X cBS − X BS
f )
(6)
12 K g ∆Tm
Sendo X o teor de agua, h coeficiente de
transmissão de calor, A área superficial da gota,
λ calor latente de evaporação, d diâmetro da
gota, ρl a densidade do líquido (kg.m-3), λc o
calor latente de vaporização da água no período
de taxa constante (J. kgágua-1), λd o calor latente
de vaporização da água no período de taxa
decrescente (J.kgágua-1), d 0 o diâmetro inicial da
gota (m), K g a condutividade térmica do ar
(W.m-1.K-1), Ta a temperatura do ar quente
(ºC), Tw a temperatura de bulbo úmido do ar
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Influência do tamanho da gota e da umidade final no tempo de secagem em secador atomizador
(ºC), ρ s a densidade do produto sólido (kg.m-3),
tc(s)
final do sólido, base seca (kgágua. kgsólido seco-1) e
∆Tm a média da diferença de temperatura entre
o ar e o produto ao longo do secador (ºC).
A simulação de tempo de secagem foi
feita através da programação na linguagem
Matlab (2001).
33
RESULTADOS E DISCUSSÃO
d c o diâmetro da gota no tempo de transição
das taxas (m), X cBS o teor de água do semisólido no período de transição das taxas, base
seca (kgágua . kgproduto-1), X BS
o teor de água
f
Kajiyama & Park
Influências do tamanho inicial da gota do
alimento líquido
Nos gráficos das Figuras 1, 2 e 3
encontram-se respectivamente, os resultados
das simulações dos tempos de secagem em
função de tamanho das gotas (d0) da
alimentação líquida no período de taxa
constante (tc), no período de taxa decrescente
(td) e tempo total (t) de secagem.
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
50
100
150
200
250
do(µm)
Figura 1. Tempo de secagem do alimento no período de taxa constante (tc) em função do tamanho
inicial da gota (d0).
interior da matriz sólida devido ao aumento da
resistência de transferência de massa.
td (s)
Na Figura 1 se observa o tempo de
secagem do alimento no período de taxa
constante (tc) aumentar com o aumento do
tamanho inicial da gota (d0). O principal
mecanismo de secagem neste período é a
evaporação livre da água na interface entre a
superfície da água livre da gota do alimento e o
ar que envolve a mesma. Esta superfície efetiva
da gota por unidade de volume da gota esférica
diminui muito com o aumento do diâmetro da
mesma. Essa diminuição da superfície por
unidade de volume da gota acarreta a
diminuição de contato efetivo entre o ar e a
superfície da água livre do alimento, resultando
na diminuição da transferência de massa e calor
entre o sistema alimento-ar que causa o
aumento no tempo de secagem neste período.
Na Figura 2 se observa o tempo de
secagem do alimento no período de taxa
decrescente (td) aumentar com o aumento do
tamanho inicial da gota (d0). O aumento do
tamanho da gota traz mais sólidos na mesma.
Esse aumento da fase sólida provoca uma
redução no movimento da teor de água no
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
50
100
150
200
250
do(µm)
Figura 2. Tempo de secagem do alimento no
período de taxa decrescente (td) em função do
tamanho inicial da gota (d0).
A partícula sofre aquecimento e a
eliminação do vapor é devido à formação de
poros ou fissuras (Barbosa-Cánovas & VejaMercado, 2000). O principal mecanismo de
retirada das moléculas de água neste período de
taxa decrescente é a difusão molecular através
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34
Influência do tamanho da gota e da umidade final no tempo de secagem em secador atomizador
6
5
t(s)
4
3
2
1
0
0
50
100
150
200
250
do (µm)
Figura 3. Tempo total de secagem (t) em
função do tamanho inicial da gota (d0).
Influência do teor de água final na saída do
secador atomizador ( X BU
f )
As Figuras 4, 5 e 6 mostram respectivamente os dados das simulações das influências
do teor de água final da partícula sólida
formada na saída do secador atomizador
( X BU
) sobre o tempo de secagem do alimento
f
no período de taxa constante (tc), no período de
taxa decrescente (td) e no tempo total (t).
1,8
1,6
1,4
1,2
t c (s)
dos poros das partículas semi-sólidas. E com o
aumento da resistência da transferência de
massa, o tempo de secagem aumenta. Aliado a
este fenômeno, uma gota maior terá quantidade
maior de água, contribuindo também para
aumentar o tempo de secagem.
Na Figura 3, observa-se que o tempo
total de secagem (t) aumenta com o aumento do
tamanho inicial da gota (d0). O tempo total de
secagem é a soma do tempo de secagem no
período de taxa constante e do tempo de
secagem no período de taxa decrescente,
portanto o tempo total aumenta com o aumento
do tamanho inicial da gota.
O aumento do tempo de secagem e a
necessidade da gota permanecer mais tempo no
interior da câmara de secagem, pelo aumento
do tamanho inicial da gota líquida acarretará
um aumento do tamanho do equipamento. Esse
fato é importante para os alimentos
termosensíveis, pois a degradação é maior para
uma exposição maior, que exigem menores
tamanhos de gotas para evitar maiores
degradações térmicas durante o processo.
Kajiyama & Park
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
 kg água

X BU
f 
kg sólido 

Figura 4. Tempo de secagem no período de
taxa constante (tc) em função do teor de água
final ( X BU
f ).
Na Figura 4, observa-se que o tempo de
secagem no período de taxa constante (tc) não
varia com alteração do teor de água final da
partícula sólida na saída do secador ( X BU
).
f
Esse fato era esperado, pois a quantidade de
água retirada dos alimentos no período de taxa
constante não se altera em função do teor de
água final, uma vez que o teor de água da
transição entre as taxas constante e decrescente
é sempre maior que o teor de água final.
Observa-se na Figura 5 que o tempo de
secagem da partícula semi-sólida, desde o ponto
de transição até o final do processo de secagem
(td), aumenta com a diminuição do teor de água
final na partícula sólida seca na saída do
secador. Para um teor de água final menor do
produto seco, a retirada da quantidade de
moléculas de água do seio da matriz sólida por
difusão molecular através dos poros dos sólidos
é maior. Uma retirada maior de moléculas de
água por difusão molecular requer maior tempo
para a secagem do mesmo nas mesmas
condições de secagem. Além disso, quanto
menos água tiver no sólido, mais difícil a
retirada de moléculas de água. Isto faz com que
o fluxo de moléculas de água por difusão
molecular diminua cada vez mais e a taxa de
transferência de massa de água do sólido para o
ar diminua com a diminuição do teor de água
do sólido seco.
Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.12, n.1, p.29-36, 2010
Influência do tamanho da gota e da umidade final no tempo de secagem em secador atomizador
Todos esses fatores fazem com que o
tempo de secagem no período de taxa
decrescente aumente com a diminuição de teor
de água final do produto seco na saída do
secador atomizador.
35
exposição ao ar quente, com a temperatura do
sólido aumentando com a diminuição da água, a
degradação será maior para se conseguir do
teores de água finais mais baixas na saída do
secador.
CONCLUSÕES
0,35
0,3
• O tempo de secagem, tanto no período de
taxa constante, como no período de taxa
decrescente, aumenta com o aumento do
tamanho inicial da gota líquida na
alimentação do secador.
0,25
td (s)
Kajiyama & Park
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
0,05
0,1
X
BU
f
0,15
(kg
água
0,2
0,25
. kg sólido
−1
0,3
0,35
)
Figura 5. Tempo de secagem no período de
taxa decrescente (td) em função do teor de água
final ( X BU
f ).
2,02
• A diminuição do teor de água final da
partícula sólida seca na saída do secador
atomizador aumenta o tempo de secagem
devido ao aumento de tempo do período de
taxa decrescente. O tempo do período da
taxa constante não se altera com a
diminuição do teor de água final do
produto.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
2
1,98
t(s)
1,96
1,94
1,92
1,9
1,88
1,86
1,84
0
0,05
0,1
X
BU
f
0,15
0,2
(kg
. kg sólido
água
0,25
−1
0,3
0,35
)
Figura 6. Tempo total de secagem em função
do teor de água final ( X BU
f ).
Analisando-se a Figura 6 constat-se que o
tempo total de secagem do alimento (t) aumenta
com a diminuição do teor de agua da partícula
sólida seca do alimento ( X BU
f ). Embora o
tempo de secagem no período de taxa constante
permaneça inalterado com a variação do teor de
água final do produto seco, o aumento do tempo
de secagem no período de taxa decrescente com
a diminuição do teor de água final contribuiu
para que o tempo total de secagem aumente
com a diminuição do teor de água final.
A secagem do alimento líquido para
obtenção de partículas mais secas com teor de
água final menor exigirá equipamentos maiores
devido ao aumento do tempo de residência. Em
caso de alimentos termolábeis, devido à maior
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