Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/33756
ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-2308-4932
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Estudo numérico da dinâmica de partículas em secador rotatório não-convencional e sua relação com a desidratação de polpa de acerola
Alternate title (s): Numerical study of particle dynamics in a non-conventional rotary dryer and its relation with acerola pulp dehydration
Author: Nunes, Gabriela
First Advisor: Barrozo, Marcos Antonio de Souza
Second Counselor: Duarte, Claudio Roberto
First member of the Committee: Arouca, Fábio de Oliveira
Second member of the Committee: Nascimento, Bruna de Souza
Summary: A acerola (Malpighia emarginata DC) é um fruto conhecido por ser uma das maiores fontes naturais de vitamina C, além de possuir outros compostos benéficos à saúde humana, sendo aplicada não só no setor alimentício, mas também no ramo farmacêutico. No entanto, a alta perecibilidade do fruto in natura acarreta em desafios nas etapas pós-colheita, de modo que um processamento adequado é necessário para garantir o aproveitamento do seu potencial nutricional. Nesse sentido, o secador rotatório com recheio de inertes (SRRI) é uma alternativa para conservação da polpa de acerola, fornecendo produtos na forma de pó, com baixa degradação de compostos bioativos. Neste equipamento, os inertes são aquecidos pelo ar de secagem e os choques entre eles promovem a fragmentação da polpa que se secou na superfície dos sólidos para formação do pó. O movimento das partículas inertes ocorre pela presença de suspensores nas paredes internas do tambor e essa dinâmica tem grande impacto na performance do secador. Diante disso, este trabalho teve como objetivo estudar experimental e numericamente os efeitos de diferentes variáveis operacionais no desempenho de um SRRI para a desidratação de polpa de acerola. No estudo numérico, foram realizadas simulações, por meio do método dos elementos discretos (DEM), que forneceram informações sobre a força de colisão e o número de colisões partícula-partícula e partícula-parede. Tais simulações seguiram planejamentos 2k para diferentes números de suspensores e tinham como variáveis independentes a velocidade de rotação e o grau de enchimento do tambor, a fração entre os sólidos inertes de 12,70 e 25,40 mm de diâmetro, bem como a altura e o tipo dos suspensores. As respostas DEM obtidas foram combinadas numa única resposta, baseada na função desejabilidade, que permitiu a classificação dos resultados de todas os casos simulados (128) no intervalo entre 0 e 1. Dessa análise, verificou-se que a melhor resposta combinada correspondia à geometria atual do secador (tambor com 3 suspensores contínuos de 25 mm de altura), o que comprovou que as decisões de projeto do equipamento foram adequadas. Também, constatou-se que valores elevados de rotação maximizaram a força de colisão e não tiveram influência significativa no número de colisões; enquanto o aumento do grau de enchimento favoreceu o número de colisões e teve pequeno efeito na força de colisão. Desse modo, para os experimentos, fixou-se as variáveis rotação e grau de enchimento do tambor nos valores mais altos explorados numericamente. O estudo experimental iniciou-se com a caracterização físico-química da polpa, que envolveu, entre outras análises, a determinação do ângulo de contato entre a polpa de acerola – com adição de diferentes concentrações de um agente carreador (maltodextrina) – e a superfície dos inertes cerâmicos. Os ensaios de secagem foram realizados com base em um planejamento composto central (PCC), que avaliou os efeitos dos fatores temperatura do ar de secagem, fração entre inertes e concentração de maltodextrina, no rendimento de secagem e nos teores de compostos bioativos (fenólicos, flavonoides e ácido ascórbico). Para todas as condições do PCC, o resultado máximo de atividade de água obtido para os pós produzidos foi de 0,103, o que garante a inibição de atividade microbiana durante armazenamento. O rendimento de secagem foi influenciado positivamente pela elevação da temperatura e da fração entre inertes, isto é, pela presença de mais inertes de menor diâmetro; e a adição de maltodextrina foi benéfica em concentrações próximas de um valor médio. Em relação aos compostos bioativos, a concentração de maltodextrina foi a variável que teve maior influência, pela diluição dos demais compostos no alimento. A otimização multiresposta, realizada em busca de maior rendimento e menor degradação de compostos bioativos, resultou em concentração de 6,28% de maltodextrina, fração entre inertes de 46,19% e temperatura de 77,2°C, e obteve-se, para o experimento realizado nesta condição, os melhores teores de compostos bioativos e rendimento de 59,87%. Portanto, concluiu-se que o SRRI foi eficiente para a desidratação de polpa de acerola e tem grande potencial para ser explorado industrialmente, uma vez que produziu, com elevados rendimentos, pós de acerola com características apreciáveis.
Abstract: Acerola (Malpighia emarginata DC) is a fruit known for being one of the greatest natural sources of vitamin C, in addition to having other compounds beneficial to human health, being applied not only in the food sector, but also in the pharmaceutical sector. However, the high perishability of the fresh fruit poses challenges in the post-harvest stages, so that an adequate processing is necessary to ensure the use of its nutritional potential. In this sense, the rotary dryer with inert bed is an alternative for preserving acerola pulp, providing products in powder form, with low degradation of bioactive compounds. In this equipment, the inerts are heated by the drying air and the shocks between them promote the fragmentation of the pulp that has dried on the surface of the solids to form the powder. The movement of inert particles occurs due to the presence of flights on the drum's inner walls and this dynamic has a great impact on the dryer's performance. Therefore, this work aimed to study experimentally and numerically the effects of different operational variables on the performance of a rotary dryer with inert bed for the dehydration of acerola pulp. In the numerical study, simulations were performed using the discrete element method (DEM), which provided information on the collision force and the number of particle-particle and particle-wall collisions. These simulations followed 2k factorial designs for different numbers of hangers and had as independent variables the rotation speed and the filling degree of the drum, the fraction between the aggregates of 12.70 and 25.40 mm in diameter, the height and type of hangers. The DEM responses obtained were combined into a single response, based on the desirability function, which allowed the classification of the results of all simulated cases (128) in the range between 0 and 1. From this analysis, it was found that the best combined response corresponded to the geometry current of the dryer (drum with 3 continuous 25 mm high hangers), which proved that the equipment design decisions were appropriate. Also, it was found that high rotation values maximized the collision force and had no significant influence on the number of collisions; while increasing the filling degree favored the number of collisions and had little effect on the collision force. Thus, for the experiments, the variables rotation and drum filling degree were set at the highest numerically explored values. The experimental study began with the physical-chemical characterization of the pulp, which involved, among other analyses, the determination of the contact angle between the acerola pulp – with the addition of different concentrations of a carrier agent (maltodextrin) – and the surface of ceramic inerts. The drying tests were carried out based on a central composite design, which evaluated the effects of the factors drying air temperature, fraction between inerts and maltodextrin concentration, on the drying yield and on the contents of bioactive compounds (phenolics, flavonoids and ascorbic acid). For all the studied conditions, the maximum result of water activity obtained for the produced powders was 0.103, which guarantees the inhibition of microbial activity during storage. The drying yield was positively influenced by the increase in temperature and the fraction between inerts, that is, by the presence of more inerts of smaller diameter; the addition of maltodextrin was beneficial at concentrations close to a medium value. In relation to bioactive compounds, the concentration of maltodextrin was the variable that had the greatest influence, due to the dilution of the other compounds in the food. The multi-response optimization, performed in search of a higher yield and less degradation of bioactive compounds, resulted in a concentration of 6.28% of maltodextrin, a fraction between inerts of 46.19% and a temperature of 77.2°C, and for the experiment carried out in this condition, the best levels of bioactive compounds and a yield of 59.87% were obtained. Therefore, it was concluded that rotary dryer with inert bed was efficient for the dehydration of acerola pulp and has great potential to be industrially exploited, since it produced, with high yields, acerola powders with appreciable characteristics.
Keywords: Secador Rotatório com Recheio de Inertes
Colisões entre Partículas
Método dos Elementos Discretos (DEM)
Compostos Bioativos
Malpighia emarginata DC
Rotary Dryer with Inert Bed
Particles Collisions
Discrete Element Method (DEM)
Bioactive Compounds
Engenharia Química
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA
Subject: Engenharia Química
Compostos Bioativos
Secagem
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: NUNES, Gabriela. Estudo numérico da dinâmica de partículas em secador rotatório não-convencional e sua relação com a desidratação de polpa de acerola. 2021. 102 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.645.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.645
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/33756
Date of defense: 3-Dec-2021
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