Publicação: Estudo numérico da dinâmica de partículas em secador rotatório não-convencional e sua relação com a desidratação de polpa de acerola
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA
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Resumo
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.
Palavras-chave
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
Citação
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.
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