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Determinacao da cinetica e das isotermas de secagem do bagaco da laranja.

Introducao

A laranja e uma das frutas mais conhecidas, cultivadas e estudadas em todo o mundo, sendo o suco seu principal produto. Varios subprodutos com elevado valor comercial sao obtidos durante o processamento do suco e entre eles estao os oleos essenciais, o limoneno e o farelo de polpa citrica, obtido do bagaco da laranja que e um residuo solido industrial. Dependendo da variedade, uma laranja pode chegar a ter 46% de bagaco umido, sendo atualmente o destino principal deste residuo a alimentacao animal.

O estudo de novas alternativas para o bagaco da laranja e de grande interesse para se obter melhor destinacao deste residuo. Khaled et al. (2009), Arami et al. (2005), Sivaraj et al. (2001) e Namasivayam et al. (1996) demonstraram que a casca da laranja pode ser transformada em um material adsorvente com caracteristicas comparaveis ao carvao ativado obtido da decomposicao termica de madeiras, cascas vegetais etc. O adsorvente mais utilizado e o carvao ativado, principalmente pela elevada area superficial e a sua adaptabilidade a um grande numero de processos industriais. Entretanto, segundo Annadurai et al. (2002), as vezes torna-se limitado seu uso pelo alto custo. No caso dos residuos agroindustriais como o bagaco de laranja, apesar de apresentar uma area superficial menor do que o carvao, seu uso se justifica principalmente pelo baixo custo, elevada disponibilidade e muitas vezes eles podem ser utilizados sem a necessidade de ativacao.

Para a utilizacao do bagaco como adsorvente torna-se necessario, inicialmente, realizar a sua secagem. Desta forma, este trabalho teve como objetivo realizar um estudo para avaliar as caracteristicas cineticas envolvidas no processo de secagem do bagaco, bem como determinar as isotermas de equilibrio de secagem deste material.

Material e metodos

Obtencao da amostra

O bagaco de laranja foi fornecido por uma empresa processadora de suco de laranja da regiao de Paranavai, no Norte do Estado do Parana-Brasil e conservado em congelador a temperatura de -15 [+ o -] 2[grados]C.

Secagem convectiva

O modulo experimental utilizado consiste em um secador convectivo contendo um soprador que fornece o fluxo de ar, aquecido por meio de resistencias eletricas, com vazao ajustada, ao interior de uma camara fechada que possui uma abertura superior para saida do ar aquecido o qual passa atraves da amostra, conforme e apresentado na Figura 1.

[FIGURA 1 OMITIR]

A secagem convectiva do bagaco foi realizada em velocidade de ar constante de1,3 [+ o -] 0,2 m [s.sup.-1] e temperaturas de 33, 50, 66 e 92 [+ o -] 1[grados]C. A amostra foi pesada a cada 2 min. em balanca de precisao: 0,0001 g, e o teor de umidade (b.s.) do bagaco determinado pelo metodo do peso constante em estufa a 105[grados]C [+ or -] 2 [grados]C.

Curvas de taxa de secagem

As curvas de taxa de secagem foram obtidas a partir da derivacao das respectivas curvas de secagem pelo metodo das diferencas finitas centradas ([DELTA]X/[DELTA]t), obtendo-se o valor da umidade nos pontos originalmente utilizados na construcao das curvas de secagem, conforme Motta Lima et al. (2001). O procedimento de calculo da taxa de secagem no ponto i, e como segue na Equacao 1.

Para calcular [([DELTA]X/[DELTA] t).sub.i-] entre i - 1 e i

Para calcular [([DELTA]X/[DELTA] t).sub.i+] entre i e i + 1

[([DELTA]X/[DELTA]t).sub.i] = [([DELTA]X/[DELTA]t).sub.i-] + [([DELTA]X/[DELTA]t).sub.i+]]/2 (1)

em que:

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII]

umidade em um determinado tempo (g [H.sub.2]O g sol. [seco.sup.-1]), [X.sub.0] a umidade inicial (g [H.sub.2]O g sol. [seco.sup.-1]), [X.sub.e] a umidade no equilibrio (g [H.sub.2]O g sol. [seco.sup.-1]) e t o tempo (min.).

Isotermas de equilibrio

As amostras foram secas em estufa a 105 [+ o -] 2[grados]C por 24h. Em seguida, foram colocadas em dessecador por cerca de 60 min. e pesadas em balanca analitica (precisao [+ o -] 0,0001 g), determinando-se assim, sua massa seca.

As isotermas de equilibrio foram determinadas nas temperaturas de 25, 35 e 45 [+ o -] 0,2[grados]C, no Thermoconstant Novasina RTD-500, com precisao de [+ or -] 0,003 [a.sub.w] e [+ o -] 0,3[grados]C. O equipamento e constituido de uma camara onde sao colocadas as amostras para leitura da atividade da agua em presenca dos sais, LiCl, Mg[Cl.sub.2] x 6[H.sub.2]O, Mg[(N[O.sub.3]).sub.2] x 6[H.sub.2]O, NaCl, Ba[Cl.sub.2] x 2[H.sub.2]O, [K.sub.2][Cr.sub.2][O.sub.7], ate atingir o equilibrio (SANTOS et al., 2008).

Em seguida, a amostra foi retirada e pesada para determinacao da massa umida e a umidade de equilibrio calculada conforme ilustra Equacao (2).

X (b.s) = [M.sub.umida] - [M.sub.sec a] / [M.sub.sec a] (2)

em que:

X (b.s) a umidade da amostra em base seca, [M.sub.umida] a massa de amostra umida (g) e [M.sub.sec a] a massa da amostra seca (g).

Em seguida, a mesma amostra foi levada novamente a camara e colocada na presenca de um sal de maior umidade e assim sucessivamente ate obter todos os pontos da isoterma.

Resultados e discussao

Determinacao de curvas de secagem e da taxa de secagem

A utilizacao do secador convectivo promove o controle do tempo de secagem. Na Figura 2 estao representadas as curvas de secagem obtidas experimentalmente.

[FIGURA 2 OMITIR]

O aumento da temperatura de secagem acelera o processo, fazendo com que a amostra sofra reducao de umidade mais rapidamente no inicio da secagem e consequentemente menor tempo de secagem e requerido, como e apresentado na Figura 2. Para a secagem do bagaco de laranja, devese, neste caso, utilizar menores temperaturas, 33 ou 50 [+ o -] 1[grados]C, uma vez que, em temperaturas elevadas, podem ocorrer mudancas nas propriedades adsortivas do material. Alem disso, o uso de temperaturas mais baixas leva ao menor consumo de energia.

Durante a secagem do bagaco, a temperatura ambiente manteve-se em torno de 27 [+ o -] 2[grados]C e a umidade relativa do ar de 57 [+ o -] 2%.

A Figura 3 apresenta as curvas da taxa de secagem do bagaco da laranja, obtidas a partir da derivacao numerica das curvas de secagem, conforme descrito por Motta Lima et al. (2001).

Observa-se, na Figura 3, que para as temperaturas de 33 e 50 [+ o -] 1[grados]C, as curvas de taxa de secagem apresentaram um periodo de taxa constante seguidas por um periodo decrescente, enquanto que nas temperaturas de 66 e 92 [+ o -] 1[grados]C houve a formacao somente de um periodo decrescente. Provavelmente, em temperaturas elevadas, toda a agua livre presente na superficie do bagaco de laranja, evapora rapidamente, impossibilitando a formacao de um periodo de taxa constante.

[FIGURA 3 OMITIR]

Na temperatura de 33 [+ or -] 1[grados]C a taxa de secagem no periodo de taxa constante que ocorre entre as umidades de 2,2 a 4,2 (g [H.sub.2]O g sol. [seco.sup.-1]) foi de 0,05 (g [H.sub.2]O g sol. seco [min..sup.-1]), enquanto que na temperatura de 92 [+ o -] 1[grados]C, para umidades na faixa de 3,6 a 4,2 (g [H.sub.2]O g sol. [seco.sup.-1]), a taxa de secagem foi de 0,28 (g [H.sub.2]O g sol. seco [min..sup.-1]). As curvas de taxa de secagem mostram que, no intervalo estudado, a influencia da temperatura e evidente tanto no periodo de taxa constante, como no de taxa decrescente. Observa-se, ainda, na Figura 3, que a umidade critica, [X.sub.C], definida como o valor onde se inicia o primeiro periodo de taxa decrescente, aumenta a medida que se tem aumento na taxa de secagem. Para a temperatura de 33 [+ o -] 1[grados]C, [X.sub.C] apresenta um valor de 1,2 g [H.sub.2]O g sol. [seco.sup.-1], enquanto que para temperatura de 66 [+ or -] 1[grados]C, [X.sub.C] aumenta para 2,4 g [H.sub.2]O g sol. [seco.sup.-1]. Logo, a diminuicao de [X.sub.C], torna o processo de secagem da amostra mais lento.

Isotermas de equilibrio

A Figura 4 apresenta as isotermas de equilibrio, que relacionam a umidade de equilibrio, ([X.sub.e]), em funcao da atividade da agua, ([a.sub.w]), determinadas para o bagaco da laranja no equipamento Thermoconstant Novasina RTD-500.

Nota-se, na Figura 4, que o aumento da temperatura causou pequeno aumento na umidade de equilibrio. Para [a.sub.w] de aproximadamente 0,8 na temperatura de 25[grados]C, a umidade de equilibrio foi de 0,12, enquanto que na temperatura de 45[grados]C Xe foi de 0,13.

Segundo Saltmarch e Labuzza (1980), para alimentos que contenham acucar, em elevadas atividades de agua, ocorre a dissolucao do acucar e o acucar cristalino e convertido em um acucar amorfo. A quantidade de agua absorvida aumenta gradativamente depois desta transicao, em virtude do aumento do numero de sitios de adsorcao na ruptura da estrutura cristalina do acucar. Este processo e conhecido como endotermico.

[FIGURA 4 OMITIR]

Na tentativa de identificar, qual parte do bagaco da laranja e responsavel por tal comportamento, foram determinadas as isotermas de equilibrio para o albedo (parte branca e esponjosa da laranja), a membrana e a casca da laranja. Os resultados indicaram que para o albedo e a membrana, o aumento da temperatura causa diminuicao da umidade de equilibrio, enquanto, que para a casca, o aumento da temperatura aumenta a umidade de equilibrio. Logo, evidencia-se que o comportamento obtido na Figura 4 e em grande parte pela presenca da casca no bagaco. No fruto da laranja, a casca tem a finalidade de proteger, isto e, evitar a perda de umidade do interior do fruto para o ambiente, pois, se isso nao ocorresse, a laranja poderia ter grande reducao de umidade, quando a umidade ambiente fosse baixa.

Observa-se tambem, na Figura 4, que independente da temperatura, a amostra comeca a absorver agua a partir de uma atividade da agua maior do que 0,5. Este fato evidencia que nas condicoes estudadas, a amostra seca poderia ser armazenada em um ambiente com atividade da agua inferior a 0,5, sem absorver umidade.

Modelagem das isotermas

As isotermas de equilibrio sao descritas matematicamente por meio do ajuste dos modelos apresentados pelas Equacoes 3, 4 e 5, respectivamente.

Modelo de BET, segundo Delgado e Sun (2002):

Xe = [X.sub.m]C [a.sub.w]/(1 - [a.sub.w])[1 + (C - 1)[a.sub.w]] (3)

Modelo de SABBAH, segundo Mesquita et al. (2001):

Xe=K ([a.sub.w]).sup.B]/[T.sup.C] (4)

Modelo de OSWIN, segundo Delgado e Sun (2002):

Xe = M [([a.sub.w]/1 - [a.sub.w]).sup.N] (5)

sendo, [a.sub.w] a atividade da agua ou umidade relativa (decimal), Xe a umidade de equilibrio no solido em b.s, [X.sub.m] a quantidade da umidade na superficie da monocamada em b.s, C, K, B, M e N constantes dos modelos a serem determinadas e T a temperatura de obtencao da isoterma ([grados]C).

Os coeficientes dos modelos foram determinados com o auxilio do software Statistica 6.0[R] por regressao nao-linear, utilizando o metodo de iteracao Simplex, com criterio de convergencia 0,0001. A capacidade de adequacao dos valores dos coeficientes dos modelos aos dados experimentais foi avaliada em relacao ao coeficiente de correlacao da equacao ajustada [R.sup.2] ao teste F e aos graficos de residuos.

Nas Tabelas 1, 2 e 3 sao apresentados os valores dos parametros obtidos para cada modelo.

Como se observa nas tabelas, o modelo de SABBAH apresentou melhores resultados. Pode ser verificado aumento consideravel dos valores dos coeficientes de correlacao, justificado pelos maiores valores para o teste F, em todas as temperaturas estudadas.

Quanto ao modelo de BET, observa-se que Xm diminui com o aumento da temperatura.

As Figuras 5, 6 e 7 apresentam os graficos de residuos para o modelo de SABBAH.

[FIGURA 5 OMITIR]

Observa-se nas Figuras 5, 6 e 7 boa distribuicao aleatoria dos residuos em torno do zero, evidenciando que o modelo de SABBAH pode representar as isotermas de equilibrio de umidade do bagaco da laranja nas condicoes experimentais estudadas.

[FIGURA 6 OMITIR]

[FIGURA 7 OMITIR]

A Figura 8 apresenta o grafico de superficie de resposta da umidade de equilibrio previsto pela equacao de SABBAH, em funcao da atividade da agua e da temperatura.

Observa-se, na Figura 8, boa concordancia entre os dados experimentais e os previstos pelo modelo, com valores de umidade de equilibrio de minimo e de maximo.

[FIGURA 8 OMITIR]

Conclusao

Com base nos estudos realizados, a secagem convectiva do bagaco mostrou que quanto maior a temperatura de secagem, menor o tempo de secagem, justificado pela maior taxa de secagem. As curvas de taxa de secagem mostraram que a temperatura de secagem influencia tanto o periodo de taxa constante, como o de taxa decrescente. As isotermas de equilibrio para o bagaco indicaram que quanto maior a temperatura, maior e a umidade de equilibrio e por meio da analise das isotermas de equilibrio para o albedo, a membrana e a casca da laranja, observou-se que o responsavel por tal comportamento e a casca da laranja. Em relacao ao ajuste dos modelos matematicos aos dados experimentais da isoterma de equilibrio, o modelo de SABBAH foi o que melhor representou o equilibrio do sistema.

DOI: 10.4025/actascitechnol.v32i2.8242

Referencias

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MESQUITA, J. B.; ANDRADE, E. T.; CORREA, P. C. Modelos matematicos e curvas de umidade de equilibrio de sementes de jacaranda-da-bahia, angico-vermelho e oleo-copaiba. Cerne, v. 7, n. 2, p. 12-21, 2001.

MOTTA LIMA, O. C.; STENZEL, M.; PEREIRA, C. N.; MENDES, E. S. Secagem condutiva/convectiva de celulose e fibra longa com ar ambiente em conveccao forcada. Acta Scientiarum. Technology, v. 23, n. 6, p. 1389-1399, 2001.

NAMASIVAYAM, C.; MUNIASAMY, N.; GAYATRI, K.; RANI, M.; RANGANATHAN, K. Removal of dyes from aqueous solutions by cellulosic waste orange peel. Bioresource Technology, v. 57, n. 1, p. 37-43, 1996.

SALTMARCH, M.; LABUZZA, T. P. Influence of relative humidity on the physiochemical state of lactose in spray-dried sweet whey powders. Journal of Food Science, v. 45, n. 5, p. 1231-1236, 1980.

SANTOS, J. C. O.; MOTTA LIMA, O. C.; PEREIRA, N. C.; SOUSA, L. H. C. D. Estudo da cinetica e isoterma de tecido composto por poliester e algodao. Acta Scientiarum. Technology, v. 30, n. 1, p. 63-72, 2008.

SIVARAJ, R.; NAMASIVAYAM, C.; KADIRVELU, K. Orange peel as an adsorbent in the removal of acid violet 17 (acid dye) from aqueous solutions. Waste Management, v. 21, p. 105-110, 2001.

Received on September 14, 2009.

Accepted on March 19, 2010.

License information: This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Leila Denise Fiorentin *, Bruna Tozetto Menon, Joao Adriano Alves, Sueli Tereza Davantel de Barros, Nehemias Curvelo Pereira e Aparecido Nivaldo Modenes

Universidade Estadual de Maringa, Av. Colombo, 5790, 87020-990, Maringa, Parana, Brasil. * Autor para correspondencia. E-mail: leiladeniseff@hotmail.com
Tabela 1. Parametros do modelo de BET.

T([grados]C)   [X.sub.m]     C     [R.sup.2]     F

25               0,095     0,095    0,9654     47,93
35               0,067     0,115    0,9923     211,7
45               0,068     0,108    0,9941     281,54

Tabela 2. Parametros do modelo de SABBAH.

T([grados]C)    K      B       C     [R.sup.2]     F

25             0,14   7,77   -0,53    0,9982     921,0
35             0,10   6,36   -0,40    0,9971     451,8
45             0,11   6,05   -0,34    0,9943     1323

Tabela 3. Parametros do modelo de OSWIN.

T([grados]C)     M       N     [R.sup.2]     F

25             0,014   1,663    0,9787     81,73
35             0,016   1,386    0,9875     142,02
45             0,017   1,320    0,9876     148,43
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Title Annotation:texto en portugues
Author:Fiorentin, Leila Denise; Tozetto Menon, Bruna; Adriano Alves, Joao; Davantel de Barros, Sueli Tereza
Publication:Acta Scientiarum Technology (UEM)
Date:Apr 1, 2010
Words:3010
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