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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-2167-0041
Tipo do documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Título: Estudo da secagem de café arábica (Coffea arabica L.) despolpado em secador roto-aerado
Título(s) alternativo(s): Study of pulped arabica coffee (Coffea arabica L.) in a roto-aerated dryer
Autor(es): Andrade, Paulo Sérgio de
Primeiro orientador: Barrozo, Marcos Antonio de Souza
Primeiro coorientador: Duarte, Claudio Roberto
Primeiro membro da banca: Prado, Manoel Marcelo do
Segundo membro da banca: Santos, Líbia Diniz
Resumo: A secagem de café arábica é geralmente feita por via de secagem mecânica ou em terreiro, visando reduzir a umidade do grão a um nível seguro. As técnicas usadas têm como caraterísticas um elevado tempo de secagem e degradação indesejável do material, sendo então oportuno a busca por técnicas alternativas que reduzam o tempo de processo e mantenham a qualidade do produto. Dessa forma, este estudo visou melhorar a operação de secagem de café arábica despolpado, sem pergaminho e na condição de meia-seca, por meio da caracterização da matéria-prima, seguida pela avaliação do desempenho da secagem, modelagem da transferência simultânea de calor e massa entre o café e o ar em um secador rotatório não convencional, correlação entre atributos físico-químicos e qualidade do café e, por fim, determinação de condições ótimas de operação de forma a equilibrar o desempenho da secagem e a qualidade do produto. A determinação dos parâmetros geométricos do material foi realizada através da análise de imagens obtidas por fluxo de partículas. A análise das imagens possibilitou também a determinação de diversos aspectos relativos à morfologia das partículas, entre eles a esfericidade e a relação de aspecto. A análise termogravimétrica (TGA) para o café despolpado também foi realizada. Os experimentos de secagem foram conduzidos em diferentes níveis de temperatura (Tf) e velocidade do ar (vf), assim como da vazão de alimentação de sólidos (Ws). Após regime permanente, as amostras foram recolhidas para as análises do desempenho de secagem, modelagem e verificação de qualidade. As operações de secagem do café arábica despolpado foram realizadas de acordo com um Planejamento Composto Central (PCC) com 16 experimentos. Um modelo a duas fases, com um conjunto apropriado de equações constitutivas, foi usado para descrever o processo de secagem. O sistema de equações foi resolvido numericamente usando a técnica de colocação normal. A qualidade físico-química do café foi avaliada por meio da determinação da umidade, atividade de água, pH, acidez total titulável e teores de açúcares e de ácidos orgânicos. O tempo médio de residência do material dentro do secador variou de 14,60 a 27,47 min, o que é pequeno quando comparado com outros tipos de secadores utilizados para café, processado por diferentes maneiras, representando uma redução de até aproximadamente 88 % no tempo de secagem. As taxas de secagem obtidas no secador roto-aerado variaram de 0,09 a 0,24 p.p./min e foram até 120 vezes superiores às obtidas para o café em outras técnicas de secagem. Em geral, a maior diminuição da umidade do café esteve associada a condições que levaram a uma alta taxa de secagem e, consequentemente, maior aquecimento do café. Os resultados simulados mostraram boa concordância com os dados experimentais. A diferença média entre os resultados experimentais e simulados foi de 2,39 % para a umidade do café e de 0,89 % para a temperatura do café. Mesmo o café ultrapassando 40 ou 45 °C, durante alguns experimentos de secagem, o tempo de exposição foi tão baixo que não foi capaz de diminuir a qualidade do grão, no tocante à acidez total titulável (ATT) e no seu equilíbrio com a doçura (sacarose/ATT). Além de ter um desempenho de secagem superior a outros secadores, o roto-aerado também contribuiu para a manutenção da qualidade do café no tocante à acidez total, atividade de água, açúcares e ácidos orgânicos. A função de desejabilidade resultou nos níveis ótimos das variáveis operacionais de vf = 2,7 m/s, Tf = 81,8 °C e Ws = 40 g/min.
Abstract: Arabica coffee post-harvest processing is usually done by mechanical or terrace drying, aiming to reduce the bean moisture content to a safe level. The techniques used have as characteristics a long drying time and undesirable material degradation. So, it is timely to investigate and propose an alternative technique that reduces processing time and maintains product quality. Thus, this study aimed to improve the drying operation of pulped arabica coffee, without parchment and previously dried on a terrace, through the: characterization of the raw material, followed by the evaluation of the drying performance, modeling of the simultaneous heat and mass transfer between the coffee and the air in a non-conventional rotary dryer, the correlation between physicochemical attributes and coffee quality and, finally, determination of optimal operating conditions to balance the drying performance and product quality. The material geometric parameters were obtained through image analysis by particle flow. The image analysis also made it possible to determine several aspects related to the particle morphology, including sphericity and aspect ratio. The thermal decomposition of pulped coffee was investigated by thermogravimetric analysis (TGA). Drying experiments were performed at distinct levels of temperature (Tf) and air velocity (vf), as well as feed flow rate (Ws). After reaching a steady state, samples were collected for drying performance, modeling, and coffee quality verification. The drying operations were executed according to a Central Composite Design (CCD) with 16 experiments. A two-phase model with an appropriate set of constitutive equations was used to describe the drying process. The equations system was solved numerically using the collocation technique. The coffee quality was evaluated by determining moisture, water activity, pH, titratable acidity (TA), and sugar and organic acid contents. The average residence time of the material in the dryer varied from 14.60 to 27.47 min, which is shorter than in other types of dryers used for coffee processing, representing a reduction of up to approximately 88% in drying time. The drying rates in the roto-aerated dryer varied from 0.09 to 0.24 p.p./min and were much higher than those obtained for coffee in other drying techniques. In general, the higher reduction in coffee moisture was associated with conditions that led to a higher drying rate and heating of the coffee. The simulated results showed good agreement with the data. The average difference between experimental and simulated results was 2.39 % for coffee moisture and 0.89 % for coffee temperature. Even though the coffee temperature exceeded 40 or 45 °C during some experiments, the exposure time was so low that it did not decrease the quality of the bean, regarding titratable acidity and its balance with sweetness (sucrose/TA). Besides having a better drying performance than other dryers, the roto-aerated also contributed to the preservation of coffee quality regarding total acidity, water activity, sugars, and organic acids. The desirability function resulted in optimal levels of operational variables of vf = 2.7 m/s, Tf = 81.8 °C, and Ws = 40 g/min.
Palavras-chave: Secagem
Roto-aerado
Café arábica despolpado
Caracterização
Análises físico-químicas
Qualidade
Modelagem matemática
Drying
Roto-aerated dryer
Pulped arabica coffee
Characterization
Physicalchemical analysis
Quality
Mathematical modeling
Engenharia química
Área(s) do CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Assunto: Engenharia química
Café - Cultivo
Equipamento de secagem
Café - Secagem
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Referência: ANDRADE, Paulo Sérgio de. Estudo da secagem de café arábica (Coffea arabica L.) despolpado em secador roto-aerado. 2023. 110 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.87.
Identificador do documento: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.87
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/37341
Data de defesa: 10-Fev-2023
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