SECADOR SOLAR MULTI-USO PARA BENEFICIAMENTO DEPRODUTOS NATURAIS DA AMAZÔNIA

Rejane Moraes-Duzat, Humberto Macedo, Leonardo Caldas Rocha,Ray Claise do Nascimento, Ana Paula Barbosa

Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA)Cx. Postal 478, CEP 69011-970, Manaus/AM/Brasil

Tel.: (92)643-3083 Fax: (92)642-1240E-mail: duzat@inpa.gov.br; humberto@inpa.gov.br

RESUMO

A utilização da energia solar para asecagem de grãos, alimentos e outros produtosflorestais apresenta-se como uma excelentealternativa para regiões de clima tropical, como aAmazônia. O uso de secadores solares permite que obeneficiamento dos produtos possa ser feito combaixo capital inicial, além de exigir apenas umtreinamento básico para sua operação. Visandoincentivar os produtores rurais a utilizarem técnicassimples e eficientes, foi desenvolvido e testado peloINPA um secador solar multi-uso para produtosnaturais (grãos, sementes, castanhas e ervasmedicinais, entre outros). A inovação deste secadoré que ele é totalmente independente de energiaconvencional, pois o suprimento de energia paraoperar os ventiladores é feito através de painéissolares fotovoltaicos, permitindo 100% deautonomia em termos de energia, ou seja, poderá serutilizado em áreas remotas, a custo energéticooperacional zero. A construção é simples e todos osmateriais empregados podem ser adquiridoslocalmente. Nos testes já efetuados com o protótipofoi possível secar cargas de até 600kg de sementesde cupuaçu (que atualmente detém um imensopotencial comercial na produção de chocolate,cosméticos, óleos, etc.). No presente trabalho,detalhes de construção e operação do secador sãodiscutidos, além dos primeiros resultados dasecagem de alguns produtos naturais da regiãoAmazônica.

ABSTRACT

The use of solar energy for drying seeds,food crops and other forest products is an excellentpossibility in tropical regions such as Amazônia. Inprocessing and storing natural products, drying is thefundamental process for preventing biodegradation,especially when food products are concerned. The

use of solar dryers needs little capital investment,allows the product to be processed near where it wasproduced and requires no specialised operationalskills. A new multi-purpose solar dryer for naturalproducts (grain, fruit seeds, nuts, medicinal plantsand others) was developed with a view to encouragelocal farmers to use simple, efficient techniques. Inone batch, the prototype is capable of drying up to600 Kg of cupuaçu seeds (which currently have animmense commercial potential in the manufacture ofchocolate, cosmetics, oils etc). It is simple to buildand all the materials necessary for construction canbe obtained locally. One innovation of the dryer isthat it is totally independent of conventional energy,in that the energy used to power the circulating fansis obtained by the use of solar panels, the photocellsof which convert sunlight directly into electricity.This means that the unit is 100% self sufficient andcan be used in the remotest areas, where there is noelectricity grid available, with an operational energycost of zero. In this work, details of the constructionand operation of the dryer are discussed, along withthe first practical results concerning the drying ofsome Amazonian natural products.

INTRODUÇÃO

O setor industrial de produtos naturais naAmazônia atualmente se ressente com a falta de umatecnologia economicamente adequada para secagemde produtos naturais. No beneficiamento earmazenagem desse tipo de produto, a secagem é oprocesso fundamental para evitar a biodegradaçãodesses materiais, especialmente quando se trata deprodutos para alimentação.

A técnica de secagem ao ar livre nãopermite a obtenção de produtos de boa qualidade,devido aos altos índices de umidade da região. Alémdisso, secadores convencionais exigem um altoinvestimento na sua instalação, têm custosoperacionais muito elevados, por causa da demanda

de energia, e necessitam de mão-de-obraespecializada para efetuar uma secagem adequada eque resulte em produtos de qualidade.

Por outro lado, as característicasgeográficas da região Amazônica (grandesdistâncias, extensa bacia hidrográfica, baixadensidade demográfica, etc.) e uma taxa deeletrificação rural de apenas 2% compõem umcenário adequado para o uso de fontes renováveis deenergia, como a energia solar, que normalmente éabundante nessas áreas.

A utilização de energia solar para asecagem de sementes e outros produtos vegetaisapresenta-se como uma excelente alternativa, enesta área, o INPA já desenvolveu diversos estudos,e domina a técnica da secagem solar desde 1986,detendo inclusive patente de um secador solar paramadeira [1], [2].

Secadores solares de boa eficiênciageralmente necessitam de energia elétrica para supriro sistema de ventilação. Se um secador deve serinstalado em uma área remota, distante da rede deeletricidade, ou simplesmente quando se deseja terum secador solar completamente autônomo emenergia para sua operação, uma solução bastante

favorável é utilizar energia elétrica a partir depainéis fotovoltaicos para acionar seus ventiladores.

Na região Amazônica, sabe-se que nosúltimos anos um novo mercado vem seestabelecendo para o beneficiamento da semente decupuaçu na produção de chocolate (CUPULATE), etambém na aplicação em cosméticos, óleos, e outrosprodutos. Portanto, tendo-se como objetivoincentivar este tipo de produtor a utilizar técnicassimples e eficientes, e assim obter produtos demelhor qualidade, foi desenvolvido e testado noINPA um novo secador solar multi-uso paraprodutos naturais, destacando-se aí sementes decupuaçu, castanhas e ervas medicinais. O secadormulti-uso é totalmente independente de energiaconvencional e funciona exclusivamente comenergia solar. A construção é simples e os materiaisempregados podem ser adquiridos localmente, e osestudos estão sendo desenvolvido com recursosfinanceiros do Banco da Amazônia S.A. - BASA.

Uma vista geral do secador solar multi-usodo INPA está mostrada na Figura 1, com descriçãodos detalhes de construção. Um manual completosobre a construção e operação do secador está sendopreparado.

Figura 1. Vista geral do protótipo do Secador Solar Multi-Uso para produtos naturais instalado no campus do INPA,em Manaus/AM

DESIGN E INSTALAÇÃO DO PROTÓTIPODO SECADOR MULTI-USO

O critério principal para o desenvolvimentodo protótipo foi a simplicidade, de forma que osfuturos usuários possam construir o secadorutilizando apenas material disponível no mercadolocal. O protótipo se baseia num secador solar “tipotúnel” originalmente desenvolvido e testado naUniversidade de Hohenheim, na Alemanha [3], [4],[5], [6]. O secador original foi concebido paracondições climáticas diferentes da Amazônia, alémde ter sido dimensionado para diversos tipos deprodutos. Portanto, a fase inicial das atividadesconsistiu em adaptações estruturais e cálculos dedimensionamento para os diversos produtos a seremtestados, considerando-se as características físicas equímicas de cada produto que se quer secar, paradeterminação da área e volume do secador, fluxo doar necessário, área do coletor solar , pressão do ar nosecador, etc.

A partir das análises e dos cálculos dosparâmetros acima citados, chegou-se ao design finaldo protótipo, que está apresentado nas Figuras 2 e 3,juntamente com uma descrição sucinta de suascaracterísticas físicas e do princípio defuncionamento do mesmo. O protótipo foi instaladono campus principal do INPA, em área livre desombreamento e adjacente ao secador solar demadeiras já existente, medindo aproximadamente24m².

O secador possui quatro componentesprincipais: um coletor solar, como fonte deaquecimento, uma câmara de secagem, doisventiladores axiais para circulação do ar e os painéisfotovoltaicos, para suprir os ventiladores comenergia solar.

Figura 2. Detalhes de construção do Secador Multi-Uso do INPA

Figura 3. Diagrama de fluxo do sistema de funcionamento dosecador, destacando-se o uso da conversão da energia solar emduas formas: calor no secador, e energia elétrica para suprir osventiladores

Esse modelo foi construído em metal emadeira, utilizando-se placas de isopor entre elaspara promover o isolamento térmico necessário asecadores solares eficientes. Até o presentemomento foram instalados ventiladores de correntecontínua (CC), mas também serão testadosventiladores de corrente alternada (AC). Este é umdetalhe fundamental para a disseminação destatecnologia e para a sustentabilidade do projeto, umavez que todos os componentes do protótipo poderãoser encontrados no mercado local a um custoaceitável.

TESTES OPERACIONAIS INICIAISCOM O PROTÓTIPO

Os testes operacionais do secador foramrealizados em primeiro lugar para testar e ajustar osequipamentos (ventiladores, sensores, fluxo de ar,etc.), além da performance geral.

Porém, antes dos testes de secagempropriamente ditos, foram efetuadas primeiramentealgumas modificações estruturais do Secador Solarpara Madeiras do INPA (Patente INPI 9303302,junho/1993), para avaliação de programas desecagem de produtos não madeireiros, tais comosementes, ervas medicinais, bambu, e outros. Assim,foram desenvolvidos programas de secagem parasementes de cupuaçu (Theobroma grandiflorum) [7]no secador solar, para fins de comparação.

Um programa de secagem é composto deuma série de procedimentos práticos que é utilizadopara controlar o processo de secagem de umproduto. A base para o desenvolvimento doprograma é a análise dos dados coletados durante ostestes de laboratório, além dos testes operacionais.

Dados como nível de radiação solar(energia captada), umidade relativa do ar fora edentro da câmara, perda de umidade do produto,umidade de equilíbrio final, velocidade do ar,

PainéisFotovoltáicos

Bateria

Radiação

Solar

Ventilador Secador

pressão do ar, etc., foram monitorados e trabalhados,resultando em procedimentos de controle dasecagem para cada produto.

No secador solar adaptado foram realizadosdiversos testes de secagem com diferentes cargas desementes de cupuaçu (T. grandiflorum), fornecidaspela firma CUPUAMA IND. COM. E EXP. Ltdaque mantém interesse em construir secadoresbaseados nesse protótipo. Na Figura 4 pode serobservado o aspecto das sementes de cupuaçu após asecagem, enquanto que na Tabela 1 estãoapresentados os dados mais relevantes dos testesefetuados. Figura 4. Carga de sementes de cupuaçu durante e após a

secagem no Secador Solar modificado

Tabela 1. Dados de testes realizados com a secagem de sementes de cupuaçu no secador solar demadeira adaptado para a secagem de produtos naturais

SECAGEM DO CUPUAÇU

Espécie TestePeríodo

(mês)Peso

BrutoUmidadeInicial 1

UmidadeFinal 1

Tempo desecagem

CARGA 1 SET/2001 398,230kg 85,36% 5,92% 3,5 diasTheobromagrandiflorum CARGA 2 OUT/2001 414,200kg 111,46% 4,19% 5 dias

1 base seca

RESULTADOS EXPERIMENTAIS COM OSECADOR MULTI-USO

Para avaliação do funcionamento eeficiência do secador multi-uso foram analisadascargas de sementes de cupuaçu, com peso entre 400a 600kg. O processo foi desenvolvido de forma bemeficiente e o tempo de secagem para este materialficou entre quatro a seis dias, chegando-se a um teorde umidade de 6%.

Os dados técnicos da secagem em si podemser enumerados como:

TEOR DE UMIDADE: 85% (Inicial) até 6% (Final).TEMPERATURAS MÁXIMAS ALCANÇADAS:90°C (Coletor) e até 70°C (Câmara de secagem).TEMPO DE SECAGEM: 72 horas (com climamisto - chuva e sol).

Como exemplo dos resultados obtidosdurante os ensaios de secagem de sementes decupuaçu, apresentam-se nas Figuras 5, 6 e 7 e naTabela 2, os dados mais relevantes sobre aperformance operacional do secador.

Na Figura 5 está apresentada uma curva desecagem que pode ser considerada como padrão para

a operação do secador solar multi-uso. Nesta curva,pode-se observar que a carga atingiu um teor deumidade final de 4,19%, após 96 horas de secagem.Este resultado demonstra o bom rendimento dosecador, principalmente quando se leva emconsideração que o teste ocorreu num período depouca oferta de energia solar (tempo misto, comchuvas fortes), e quando se compara com resultadoscitados na literatura para secagem de sementes decacau (semelhantes ao cupuaçu) num secadorconvencional, no qual levou-se 72 horas para atingiraproximadamente o mesmo teor de umidade final[5].

Os dados de temperatura contidos na Figura6, para os dias do período da secagem, permitemtambém estimar a eficiência térmica do secadordesenvolvido. Nas curvas estão representadas asvariações da temperatura ambiente, temperaturas nocoletor solar e na câmara de secagem. Como se podever, as temperaturas no secador seguem astendências da temperatura externa, e durante osperíodos de boa oferta de energia solar, conseguiu-sealcançar valores médios de até 43°C no secador,enquanto no coletor chegou-se a 55°C, no períodocorrespondente. Vale ainda ressaltar que essastemperaturas foram alcançadas durante tempo

Figura 5. Teor de Umidade vs Tempo, período de secagem de sementes de cupuaçu

Figura 6. Medições das Temperaturas versus o Tempo, no dia 11/09/01, para secagem de cupuaçu

T e o r d e U m i d a d e v s T e m p o

0 , 0 %

2 0 ,0 %

4 0 ,0 %

6 0 ,0 %

8 0 ,0 %

1 0 0 , 0 %

1 2 0 , 0 %

0 5 2 4 2 9 4 7 5 0 5 5 7 1 7 9 1 0 0

T e m p o d e S e c a g e m ( h o r a s )

Teo

r de

Um

idad

e (%

)

Temperaturas

0

10

20

30

40

50

60

70

14:00

16:00

18:00

20:00

22:00

00:00

02:00

04:00

06:00

08:00

10:00

12:00

14:00

16:00

18:00

20:00

22:00

00:00

02:00

04:00

06:00

08:00

10:00

12:00

Tempo (horas)

Tem

per

atu

ra (

° C

)

TemperaturaAmbiente

Temperatura noColetor

Temperatura dentrodo Secador

parcialmente nublado, o que permite prever que sobcondições climáticas mais favoráveis poderão seratingidos temperaturas mais altas econsequentemente menor tempo de secagem.Interessante também nestes gráficos é o fato quedurante o período da noite consegue-se manter atemperatura interna do secador cerca de 10°C acimada temperatura ambiente, demonstrando o bomisolamento térmico do protótipo desenvolvido, que éum ponto crucial para se obter boa secagem solar,nas condições climáticas da Amazônia.

As informações contidas nas Figuras 7 e 8permitem estimar a eficiência dos painéisfotovoltaicos para um dia de secagem, cujadeterminação se faz necessária para se efetuar ocálculo da eficiência global do sistema elétrico

(ventiladores + painéis fotovoltaicos) e do secadorem si. Como pode ser visto, a eficiência do sistemavariou pouco durante o período, o que resultou numaeficiência média diária de 9,5%. Esses valores estãode acordo com os valores encontrados na literatura,que apresenta valores típicos na faixa de 10% paracondições climáticas semelhantes [9].

Essas informações mostram que aperformance do secador é muito boa se comparada aoutros resultados de secagem sem o uso deventilação forçada. O tempo de secagem diminuiupor um fator de 2, e isso se deve em grande parte aobom funcionamento do sistema de ventilação solar.Com estes valores, pode-se também analisar aresposta do sistema para os diferentes valores deinsolação.

Figura 7: Eficiência dos painéis solares fotovoltaicos alcançadas no dia 27/0972001, durante a secagem desementes de cupuaçu no Secador Solar Multi-Uso

Figura 8. Radiação solar medida no dia 27/09/2001, durante a secagem de sementes de cupuaçu no Secador SolarMulti-Uso

Radiação Solar

0

100

200

300

400

500

600

700

800

00:0

001

:00

02:0

003

:00

04:0

005

:00

06:0

007

:00

08:0

009

:00

10:0

011

:00

12:0

013

:00

14:0

015

:00

16:0

017

:00

18:0

019

:00

20:0

021

:00

22:0

023

:00

00:0

0

Tempo (Horas)

w/m

²

DIA 27/09/2001

Na Tabela 2 é mostrado um resumo dosresultados da secagem de três cargas de cupuaçurealizadas entre os meses de abril e junho de 2002. Éimportante notar nestes resultados, que o tempo deduração da secagem durante o período com tempobom foi de apenas um dia a menos que no períodode tempo misto. Isto quer dizer que o secador écapaz de operar com boa eficiência também noperíodo chuvoso. Este resultado é um dadoimportante para a implementação de secadoressolares do tipo estudado, na região Amazônica,principalmente para produtos como a semente decupuaçu, cuja colheita do fruto acontece justamenteno período de chuvas.

Na continuação dos estudos serão aindarealizados alguns testes com regimes diferentes doarranjo do ventilador e dos painéis fotovoltaicos,onde serão testados ventiladores de correntealternada (AC), utilizando-se um inversor DC/ACalém de diferentes posições dos ventiladores nosecador. O objetivo é se obter um acoplamentoelétrico, hidráulico e térmico o mais otimizadopossível, para conseguir alta eficiência e diminuir aquantidade de painéis fotovoltaicos que representamuma parte considerável do custo do secador solar.

VANTAGENS DO SECADORSOLAR MULTI-USO

SECAGEM RÁPIDA E EFICIENTE.CONSTRUÇÃO SIMPLES E MODULAR (asdimensões podem ser adequadas às necessidades deprodução).CUSTO ZERO DE ENERGIA ELÉTRICA.FÁCIL DE OPERAR.CUSTO ESTIMADO: US$ 2.000 - 2.500(dependendo do local de instalação).

CONCLUSÃO

O estágio atual dos estudos, permite que sechega às seguintes conclusões:- Com o protótipo do secador solar desenvolvido épossível secar sementes de cupuaçu (T.grandiflorum) até o teor de umidade final desejado(de 4% a 6%) em quatro dias, utilizando-se umsistema de ventilação forçada, suprido comeletricidade através de painéis fotovoltaicos. - A utilização de painéis fotovoltaicos para suprir osventiladores é perfeitamente possível através do usode baterias ou ligando-se os ventiladores diretamenteaos painéis.- Para se chegar a uma definição quanto ao tipo deventiladores mais adequados ao secador, énecessário ainda realizar testes de secagem comventiladores de corrente alternada, ligadosdiretamente à rede elétrica convencional, porém osresultados alcançados com os ventiladores decorrente contínua já demonstram que a questãotécnica não representa nenhum problema.- O secador desenvolvido pode ser utilizado emáreas remotas, distantes da rede elétricaconvencional, com o uso de painéis fotovoltaicos,mas poderá também ser operado com energiaelétrica da rede, para suprir o sistemas de ventilaçãoem locais onde já exista energia elétrica, permitindodesta forma um menor investimento para a suaconstrução.

PALAVRAS-CHAVE

Secadores solares, energias renováveis,secagem de produtos naturais, eletrificação rural,tecnologias alternativas.

Tabela 2. Dados de testes realizados com a secagem de sementes de cupuaçu noSecador Solar Multi-Uso

SECAGEM DO CUPUAÇU (Theobroma grandiflorum)

Secagem PesoTeor de

UmidadeInicial 1

Teor deUmidade

Final 1Tempo deSecagem

DadosClimáticos

Carga 1 371,75kg 99% 4,9 % 4 dias Bom

Carga 2 469,50 kg 70% 5,4 % 5 diasMisto (chuva e

sol)

Carga 3 466,50 kg 83% 5,5 % 5 diasMisto (chuva e

sol)1 base seca

AGRADECIMENTOS

O projeto do secador solar para produtosnaturais foi desenvolvido com o suporte financeirodo Banco da Amazônia S/A-BASA e gestão daFundação Djalma Batista, a quem os autoresapresentam seus agradecimentos.

REFERÊNCIAS

[1] Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia(INPA) and International Development ResearchCentre (IDRC). 1993. Construction and Operationof the INPA’s Solar Timber Dryer – A Manual.1st edition, revised in January 1993.

[2] Vetter, R., Moraes-Duzat, R. Secagem Solar daMadeira-Uma Solução Econômica para a RegiãoAmazônica. I Encontro para Ciência e Tecnologiapara a Amazônia, Belém-Brazil, 6 p., 20-23/09/1999.

[3] Lutz, K., Mühlbauer, W. , Solar Tunnel Dryerwith Integrated Collector. Drying Technology 4,Nr. 4, 583-603, 1986.

[4] Henning, H.M., Moraes, R., Sasse, M.; DGS;Direct Coupling of Solar Dryers Fans to aPhotovoltaic Generator - Electrical and ThermalBehaviour; Proceedings of the VII Sonnenforum, ,Frankfurt, Alemanha, 1990.

[5] Deutscher Gesellschaft fuer TechnischeZusammenarbeit (GTZ). Relatório Anual doProgramm Energétique Spécial Maroc-SéchageSolaire. Alemanha, 1990.

[6] Corvalan, R., Horn, M., Roman, R, Saraiva, L.Ingenieria Del Secado Solar CYTED-D Programade Ciencia e Tecnología Para El Desarrollo VCentenario, Peru, 1996.

[7] Aragão, C.G. Mudanças Físicas e Químicas daSemente de Cupuaçu (Theobroma grandflorumSchum) Durante O Processo Fermentativo.Dissertação de Metrado, Instituto Nacional dePesquisas da Amazônia / Universidade Federal doAmazonas, Manaus-AM, 1992.

[8] Mendes, A.S. A Secagem da Madeira, InstitutoNacional de Pesquisas da Amazônia, Manaus, 1996.

[9] Palz, W. Energia Solar e Fontes Alternativasp. 115-301. 1981.