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ESTUDO DAS PROPRIEDADES REOLÓGICAS DO XAROPE DE CANA BRUTO E
INTRODUÇÃO
FLOTADO DE ACORDO COM O TEOR DE SÓLIDOS SOLÚVEIS (⁰BRIX)
Nos últimos anos, as unidades produtoras de açúcar iniciaram
Mário Augusto VERGANI
um esforço para minimizar as perdas e maximizar a qualidade dos
Discente do curso de Engenharia de Alimentos da UNILAGO
produtos fabricados. Diante desses fatos, os esforços da indústria e da
pesquisa devem ser canalizados no sentido de mensurar, isolar,
Kelly Tafari CATELAM
combater e caracterizar os pontos críticos que afetam a eficiência do
Doutoranda em Engenharia e Ciência de Alimentos
processo e da perda de qualidade dos produtos fabricados (CALIARI et
Docente do curso de Engenharia de Alimentos da UNILAGO, São José do Rio Preto
al.,2004).
A qualidade do açúcar é influenciada por várias das operações
unitárias que constituem o seu processamento, em especial, a
clarificação do caldo de cana, visto que o desempenho da clarificação
RESUMO>
também implica nas etapas subseqüentes do processo como: filtração
O xarope de cana é o produto resultante da evaporação do caldo de cana clarificado,
do caldo, coeficiente de transferência de calor no evaporador,
e, ao final desta concentração, é chamado de xarope bruto. O xarope bruto segue
cristalização da sacarose e a qualidade e quantidade de açúcar
para o tratamento de flotação que visa a remoção das substâncias que dão cor ao
produzido. Além disso, afeta ainda a cor, a morfologia dos cristais, o teor
açúcar, bem como dos materiais insolúveis em suspensão e das macromoléculas
de cinzas e o conteúdo de polissacarídeos no produto final (DOHERTY
(dextrana) responsáveis pelo aumento da viscosidade do xarope e consequentes
& RACKEMANN, 2008).
problemas nas etapas seguintes de fabricação. O trabalho teve por objetivo avaliar os
O xarope de cana é o produto resultante da evaporação do
parâmetros reológicos dos xaropes de cana bruto, e flotado de forma a observar o
caldo de cana clarificado ao final desta concentração é chamado de
comportamento destes em diferentes teores de sólidos solúveis. Determinaram-se o
xarope bruto. O xarope bruto segue para o tratamento de flotação. A
teor de sólidos solúveis (°Brix) das amostras em refratômetro digital e os parâmetros
flotação tem como objetivo a remoção das substâncias que dão cor ao
reológicos em viscosímetro de Brookfield com geometria de cilindros concêntricos a
açúcar, bem como dos materiais insolúveis em suspensão (que
25°C. Traçaram-se curvas de escoamento que ajustaram-se ao modelo de Newton,
aparecem como “insolúveis” no produto final) e das macromoléculas
obtendo-se valores de viscosidade variando de 0,04192 a 0,22032 Pa.s. Observou-se
(dextrana) responsáveis pelo aumento da viscosidade do xarope e
um aumento da viscosidade com o aumento do teor de sólidos solúveis dos xaropes.
consequentes
problemas
(MAGALHÃES, 2007).
nas
etapas
seguintes
de
fabricação
2
A reologia, é definida como a ciência do escoamento e da deformação dos
materiais, é uma ciência fundamental e interdisciplinar que tem ganhado importância
na área de alimentos. A relação específica que se desenvolve entre a tensão aplicada
e a deformação resultante para um determinado material pode ser expressa em
termos de suas propriedades reológicas. Assim, esses dois parâmetros mecânicos (a
tensão e a deformação) formam a base para a classificação dos materiais – sob o
ponto de vista reológico – em três grupos principais: elásticos, plásticos e viscosos
(VÉLEZ-RUIZ, 2002).
A reometria é o ramo da reologia que se ocupa com a medição
experimental das características reológicas dos materiais como, por exemplo, a
viscosidade e as diferenças de tensões normais. Os ensaios reológicos permitem
aferir a variação no tempo na tensão e da deformação de um material. Enquanto as
propriedades reológicas de um fluido newtoniano são completamente caracterizadas
Figura 1 - Curvas de escoamento para vários tipos de fluidos.
através de uma só medição, no estudo de fluidos não newtonianos é preciso identificar
Os
a dependência entre a tensão e a taxa de deformação e, no caso de materiais
viscoelásticos, que exibem efeitos de memória é, também, necessário observar o
comportamento ao longo de certo período de tempo (CASTRO, 2001).
Em um gráfico da tensão de cisalhamento em relação à taxa de
cisalhamento, a maioria dos líquidos e dos gases mostra uma relação linear, sendo
denominados fluidos Newtonianos. Quando esta relação não é linear os fluidos são
denominados não-Newtonianos (FELLOWS, 2006). A Figura 1 ilustra a classificação
dos fluidos de acordo com suas respectivas curvas de fluxo.
modelos
reológicos
podem
relacionar
propriedades
reológicas de um fluido com grandezas práticas como concentração,
temperatura, pH, índice de maturação e etc. Este conhecimento é
indispensável no dimensionamento de equipamentos, processos,
controle de qualidade e controle de processo. Dessa forma, é de
extrema importância a disponibilidade de equações matemáticas que
possam relacionar estas grandezas para a realização destas atividades.
A equação 1 mostra o modelo de Newton.
(1)
onde:
τ = tensão de cisalhamento;
μ = viscosidade;
γ = taxa de deformação.
3
MATERIAL E MÉTODOS
De acordo com Schramm (2006), os equipamentos que medem as
propriedades viscoelásticas de sólidos, semi-sólidos e líquidos são chamados
reômetros. O reômetro de cilindros concêntricos é um instrumento muito disponível
As amostras de xarope de cana-de-açúcar foram obtidas em
comercialmente e amplamente utilizado no estudo dos alimentos, como também na
usina situada em Catanduva (SP). O teor de sólidos solúveis (°Brix) das
indústria de alimentos. Este instrumento se caracteriza por conter a amostra em um
amostras foi medido através de refratômetro digital e a determinação
cilindro copo e um segundo cilindro imerso no primeiro, de diâmetro menor e coaxial,
dos parâmetros reológicos efetuada em viscosímetro de Brookfield com
como mostra a Figura 2.
geometria de cilindros concêntricos (modelo LVT, Braseq), disponível
em empresa do setor de saneantes de Catanduva (SP).
No reômetro, utilizou-se o spindle n⁰ 1 (raio = 0,9 cm e altura =
6,5 cm) e as leituras foram feitas a 25⁰C em seis velocidade de rotações.
Foram obtidos valores do torque necessário para essas rotações
perante a amostra e através deste, obtiveram-se os valores de tensão
de cisalhamento e taxa de deformação, traçando-se então, as curvas de
escoamento.
Testaram-se os modelos reológicos da literatura (Modelo de
Newton, Lei de Potência, Herschel Bulkley e Bingham) a fim de
determinar à qual modelo o xarope bruto (xarope de entrada) e o xarope
flotado (xarope de saída) de cana-de-açúcar melhor se ajustavam.
Figura 2 - Esquema de um reômetro de cilindros concêntricos (STEFFE, 1996).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os produtos analisados neste projeto foram os xaropes de cana-de-açúcar
bruto que trata-se de um material resultante da evaporação parcial do caldo de cana
clarificado (COPERSUCAR, 2001) e o xarope flotado, com teor de sólidos solúveis
variando de 56 a 68°Brix.
As Figuras 3 e 4 mostram os gráficos de tensão de cisalhamento
versus taxa de deformação para os xaropes bruto com o menor e maior
°Brix analisado. Todas as amostras ajustaram-se à equação de Newton,
classificando os fluidos analisados, portanto, como fluidos newtonianos.
4
Os valores de viscosidade das demais amostras de xarope bruto são apresentados na
Tabela 1.
1,6
Xarope E 67,6 brix
2
Tensão de Cisalhamento (N/m )
1,4
2
Tensão de Cisalhamento (N/m )
0,6
0,5
Xarope E 56,1 brix
0,4
0,3
Modelo de Newton
0,2
u = (0.04192 ± 0.00032) Pa.s
0,1
1,2
1,0
0,8
0,6
Modelo de Newton
0,4
u = (0.22032 ± 0.00112) Pa.s
0,2
R^2 = 0.99978
0,0
0
2
R = 0.99949
1
2
3
4
5
6
7
-1
Taxa de deformação (1/s )
0,0
0
2
4
6
8
10
12
14
-1
Taxa de deformação (1/s )
Figura 4 - Gráfico da tensão de cisalhamento versus taxa de
deformação para o xarope de cana de açúcar bruto a 67,6 °Brix e 25°C
com o valor da viscosidade (u) do xarope.
Figura 3 - Gráfico da tensão de cisalhamento versus taxa de deformação para o
Os valores de “u” nos gráficos referem-se às viscosidades (μ)
xarope de cana de açúcar bruto a 56,1°Brix e 25°C com o valor da viscosidade (u) do
das amostras de xarope bruto a 25°C as quais são apresentadas na
xarope.
Tabela 1, juntamente com a viscosidade da água pura a 25°C, obtida de
Foust et al. (2008).
5
0,8
Xarope
de
cana
(25°C)
-
0, 001
56,1
0, 04192
60,7
0, 07505
62,1
0, 09327
62,4
0, 09386
62,6
0, 10134
67,6
0, 22032
* Fonte: Foust et al., 2008.
Tabela 1: Viscosidades das amostras de xarope de cana de açúcar bruto a 25°C e
diferentes °Brix.
0,7
2
Viscosidade (Pa.s)
Tensão de Cisalhamento (N/m )
Água pura (25°C)*
°Brix
0,6
Xarope S 58,2 °brix
0,5
0,4
0,3
Modelo de Newton
0,2
u = (0.05441 ± 0.00068) Pa.s
0,1
2
R = 0.99863
0,0
0
2
4
6
8
10
12
14
-1
Taxa de deformação (1/s )
Figura 5 - Gráfico da tensão de cisalhamento versus taxa de
As Figuras 5 e 6 mostram os gráficos de tensão de cisalhamento versus taxa
de deformação para o xarope flotado com o menor e maior °Brix analisado. Os
resultados de viscosidade das demais amostras de xarope flotado são apresentados
na Tabela 2.
deformação para o xarope de cana de açúcar flotado a 58,2°Brix e 25°C
com o valor da viscosidade (u) do xarope.
6
65,4
Tabela 2: Viscosidades das amostras de xarope de cana de açúcar
1,2
2
Tensão de Cisalhamento (N/m )
0, 17459
flotado a 25°C e diferentes °Brix.
Xarope S 65,4 brix
1,0
Nota-se que o valor da viscosidade aumenta com o aumento do
0,8
teor de sólidos solúveis (°Brix) o que já era esperado, pois, de acordo
0,6
com Rao, 1999, Adorno, 1997 e Cabral, 2000, a viscosidade aumenta
Modelo de Newton
com o aumento da concentração de sólidos solúveis ou insolúveis para
0,4
u = (0.17459 ± 0.00138) Pa.s
um determinado fluido, e isto se deve a diversos aspectos, como o
2
R = 0.99946
0,2
aumento do atrito entre as moléculas devido ao aumento da interação
molecular, formato das partículas, efeitos eletroviscosos, entre outros,
0,0
sem existir uma teoria para predizer estes comportamentos devido à
0
1
2
3
4
5
6
7
-1
Taxa de deformação (1/s )
aumento da viscosidade das amostras.
Figura 6 - Gráfico da tensão de cisalhamento versus taxa de deformação para o
xarope de cana de açúcar flotado a 65,4 °Brix e 25°C com o valor da viscosidade (u)
do xarope.
Água pura (25°C)
Xarope de cana (25°C)
complexidade destes sistemas. A Figura 7 mostra a influência do Brix no
°Brix
Viscosidade (Pa.s)
-
0, 001
58,2
0, 05441
58,3
0, 04935
60,1
0, 06313
60,4
0, 07216
61,1
0, 07940
61,6
0, 07779
7
CONCLUSÕES
Através da análise reológico dos xaropes de cana-de-açúcar
bruto e flotado, obteve-se que estes tratam-se de fluidos newtonianos,
com valores de viscosidade variando de 0,04192 a 0,22032 Pa.s. Tanto
o xarope bruto quanto o xarope flotado apresentaram um aumento da
viscosidade com um aumento na concentração de sólidos solúveis.
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flotado.
Engenharia de Alimentos, UNICAMP, 1997.
Devido a isto, tem-se que o xarope a 25°C também apresentou viscosidade
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maior que a da água pura a 25°C, a qual se apresenta em torno de 0,001 Pa.s
parâmetros reológicos do extrato de café. Tese de Mestrado.
(FOUST et al., 2008).
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2004 . 139
8
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