Secagem

Engenharia Química - Princípios e Cálculos David Mautner Himmelblau. Capítulo 18

Purificação de Produtos Biotecnológicos Autores: Adalberto Pessoa Jr. e Beatriz Vahan Kilikian. Capítulo 18

Universidade Federal de PelotasCentro de Desenvolvimento Tecnológico – CDTec

Graduação em BiotecnologiaDisciplina de operações Unitárias

Profa. Dra. Patrícia S. Diaz

7. Secagem

Dificilmente uma planta industrial ou um laboratório de pesquisa em biotecnologia não disponha de algum tipo de equipamento de secagem. Portanto, esta unidade tem a finalidade de apresentar a teoria e os conceitos básicos de secagem.Embora seja possível referir-se à remoção de qualquer solvente, esta unidade refere-se especificamente à água.

Água

• Substância mais abundante na Terra.• Componente mais importante de alimentos e materiais biológicos. Ancestrais: conservavam seus alimentos pela redução do teor de umidade, pelo uso do vento e do sol.

Conceito:

A secagem é uma operação unitária de transferência de massa e calor envolvendo a remoção de água ou outro solvente de um sistema sólido (líquido ou gás). A retirada da umidade ocorre por evaporação ou sublimação mediante a aplicação de calor sob condições controladas.

O termo secagem se refere a remoção mecânica de umidade, envolvendo uma corrente de gás para arrastar a umidade. Será aplicado a transferência de um líquido que está num sólido, líquido ou gás molhado para a fase não saturada.

A secagem serve para remover quantidades de água/solvente pequenas, de materiais sólidos.

O objetivo da secagem é reduzir o conteúdo de líquido residual até um valor desejado, mais baixo que o anterior.

Evaporação de uma solução, sem o auxílio de uma corrente de gás para arrastar a umidade não é considerada secagem.

A secagem ocorre de acordo com dois processos fundamentais:

a) Transferência de calor: o calor flui do ambiente para a superfície externa e daí para o líquido no interior do sólido.

b) Transferência de massa: na forma de líquido e de vapor no interior do sólido e na forma de vapor da superfície para o ambiente.

Importância da secagem:

c) Facilitar o manejo posterior do produto;d) Permitir o emprego satisfatório do mesmo;e) Reduzir o custo de embarque;f) Aumentar a capacidade de equipamentos;g) Preservar os produtos durante o armazenamento e

transporte;h) Aumentar o valor ou a utilidade dos produtos residuais.

Mecanismos e conceitos fundamentais da secagem de sólidos

A secagem de um sólido úmido, por meio de uma corrente de ar com velocidade de escoamento constante a temperatura e umidade fixa, manifesta-se sob um comportamento típico, que pode ser observado na curva da figura abaixo:Figura: Curva típica de secagem em condições constantes de secagem; teor de umidade em função do tempo.

Trecho AB: A T do sólido é menor que a T ambiente. O calor transferido do ar para o sólido é maior do que o calor retirado do sólido para evaporar água;Trecho BC: Período de taxa constante. A T do sólido é igual a T ambiente. É caracterizado pela velocidade de secagem ser inalterada com a diminuição do teor de umidade. O calor é transferido para a superfície de secagem do sólido basicamente por convecção.Trecho CDE: período de taxa decrescente. Inicia quando a umidade do sólido atinge um valor determinado chamado UMIDADE CRÍTICA. Este trecho pode ser dividido em duas zonas: zona de superfície de secagem não-saturada e zona em que o fluxo interno de água controla o processo.

XE ( Ponto E): A taxa de secagem aproxima-se de zero, num certo teor de umidade de equilíbrio, que é o menor teor de umidade atingível no processo de secagem.

Zona de superfície de secagem não-saturada (trecho CD): Segue-se imediatamente a umidade crítica. Neste estágio, a superfície do sólido apresenta áreas secas que se ampliam na proporção em que a secagem prossegue. Conseqüentemente a taxa de secagem diminui uma vez que a mesma é relativa a toda a área do sólido em contato com o ar. A evaporação ocorre na superfície do sólido e a resistência a difusão interna do líquido é pequena comparada com a resistência para remover o vapor da superfície. A T do sólido aumenta, pois recebe do ar a mesma quantidade de calor que corresponderia ao período de taxa constante, sem, no entanto, ocorrer igual evaporação. Em outras palavras, parte da energia que era utilizada para a evaporação na fase anterior, acaba sendo utilizada para elevar a T do sólido.

Zona em que o fluxo interno de água controla a operação (Trecho DE): Caracteriza-se pelo fato de que o fluxo interno de água controla a taxa de secagem. Os fatores que influenciam a taxa de secagem são os mesmo que afetam a difusão da água através de sólidos. Observa-se que a umidade do ar não tem efeito na taxa de secagem, mostrando que esta depende da resistência a difusão da água. A medida que a quantidade de umidade diminui por causa da secagem, a velocidade da difusão interna da umidade decresce. A evaporação ocorre dentro da estrutura do sólido.

Tipos de materiais quanto ao seu comportamento na secagem

Os materiais podem ser divididos em duas classes quanto ao seu comportamento na secagem:

a) Materiais granulares e cristalinos: a umidade encontra-se nos interstícios entre as partículas. Nestes materiais a umidade movimenta-se no interior do sólido sem maiores dificuldades pela ação de forças capilares e gravitacionais.

b) Sólidos orgânicos (amorfos, fibrosos ou em forma de gel): estes materiais retém a umidade como parte integrante da estrutura do sólido ou no interior de finíssimos poros. A maior parte dos processos de secagem é controlada por difusão do líquido através do sólido. As camadas superficiais tendem a secar mais rapidamente que o interior. Nestes materiais, uma taxa de secagem alta pode causas alterações físicas inconvenientes para a operação de secagem. Sob condições de secagem rápida podem ocorrer fraturas em decorrência da diferença de retração entre a camada interna e externa, motivadas pela variação de umidade entre as camadas.

Movimento de umidade no interior de sólidos

Quando ocorre a evaporação na superfície de um sólido, a umidade se desloca das camadas internas do sólido para a superfície. Este movimento da água exerce papel importante na secagem durante o período de velocidade decrescente e dependendo do tipo de material pode ocorrer através de dois mecanismos, que são:

a) Difusão interna: é o movimento de um líquido ou de um vapor através de um sólido em conseqüência de diferença de concentração.

b) Escoamento capilar: é o escoamento de um líquido através dos interstícios de um sólido ou sobre uma superfície, provocados por atração molecular entre o líquido e o sólido.

Distribuição de umidade em um leito sólido particulado durante o processo de secagem

Equipamentos Industriais

Os primeiros secadores foram os de bandejas, os de túnel e os de rolos de secagem. Ar quente fluindo sobre uma extensa área do produto era usado para remover a água superficial, tornando esses tipos de secadores muito úteis para a desidratação de grãos. São empregados tanto em processos contínuos quanto em bateladas.

A segunda geração de secadores foi composta pelos atomizadores (spray-dryers), desenvolvidos para a secagem de líquidos.

A terceira geração é composta pela liofilização, desenvolvida para superar danos estruturais e perdas de compostos voláteis (aroma e sabor).

Secadores empregando alto-vácuo, ultra-temperatura, extrusão, leito fluidizado, microondas ou radiofreqüência pertencem a última geração em tecnologia de equipamentos de secagem.

Escolha de um métodoA escolha de um método de secagem deve ser baseada inteiramente no processo de manufatura. Matéria-prima, produtos intermediários, especificações e características do produto final precisam ser claramente definidos

Classificação dos secadores:

1)Modo de operação

Batelada: operação intermitente, por lotes de material a ser processado.Contínua: alimentação do material a ser processado ininterrupta.

2) Fonte de calor

Diretos: calor fornecido pelo gás de secagemIndiretos: calor fornecido por outro meio como por condução, radiação, campo elétrico de alta freqüência e microondas.

3) Condições operacionais:

Pressão de operação: atmosférica ou vácuo;Fluxo de gás: nenhum, contracorrente ou concorrente;Fluxo de sólidos: estacionário ou misturado;Meio de transporte: estacionário, mecânico, arraste, combinado;Mistura do sólido: sem mistura, agitação, rolo ou arraste.

Tipos de equipamentos industriais

Secador de bandejas: é essencialmente uma câmara onde o material a ser seco é colocado em bandejas ou tabuleiros. É um processo em batelada e usado para pequenas escalas.As bandejas podem ter fundo inteiriço (o ar circula entre o topo de uma e o fundo da que fica em cima) ou telado (o ar circula entre as bandejas e os sólidos). As bandejas perfuradas apresentam maior eficiência no processo.O meio secante pode ser vapor de água, gás ou ar aquecido eletricamente. O custo de energia é parte principal do custo total do processo. Além de ar, outros agentes secadores podem ser utilizados, como gases inertes (nitrogênio).

Estufas de laboratório

Secador de Túnel: o material a ser seco é colocado em bandejas e essas em carretas que irão entrar dentro de um túnel onde ocorrerá o processo de secagem. Esta operação pode ocorrer com o ar de secagem em corrente paralela, isto é, o fluxo de ar quente no mesmo sentido do fluxo das carretas, ou em contracorrente, onde o fluxo do ar quente tem direção contrária ao fluxo das carretas.

Secador de rolos: neste tipo de secador o material a ser seco é aspergido sobre rolos giratórios aquecidos interiormente. A água evapora-se e forma-se uma película seca que é retirada por um raspador. É utilizado na fabricação de leite em pó.

Secador a gravidade: as chapas são aquecidas. O meio secante poder ser ar ou gás inerte.

Secador por radiações infravermelhas: o produto a ser seco é colocado sobre um esteira em finas camadas. A radiação é colocada sobre o produto.

Secagem por microondas: o produto a ser seco é colocado sob um campo elétrico de alta freqüência (2500 MHz). O calor é produzido no interior do material a secar.

Secagem a vácuo: secadores a vácuo são semelhantes aos secadores de bandejas na sua construção. No entanto, duas diferenças básicas são notáveis: a câmara deve ser hermeticamente fechada e sem circulação de gás; sem o gás de secagem, calor deve ser fornecido ao material por outro meio, como condução através do aquecimento dos suportes ou radiação.Utilizadas quando o material a secar é alterado pelo calor ou pelo ar.Menor P Menor TSão processos em batelada.

Secagem – Spray Dryer

É um método de secagem conhecido como secagem instantânea, pois utiliza tempos curtos de processo quando comparado aos outros tipos de secadores.

O “spray dryer” é um secador por aspersão (atomização) do produto a ser seco em um agente de secagem aquecido (usualmente ar).

Este equipamento admite na sua alimentação somente material em estado fluido (solução, suspensão ou pasta) e a converte em uma forma particulada seca.

História:

• Primeiros passos na metade do século 18, quando foi patenteada a primeira operação de secagem de ovos (1865). • Início de sua utilização como processo a nível industrial data da década de 20. • Os primeiros produtos a que se tem notícia como obtidos em larga escala foram o leite e o sabão em pó.• Hoje aplicado em larga escala em produtos alimentícios, farmacêuticos e biológicos.

Scale-up:Sua versatilidade operacional permite desde escalas laboratoriais da ordem de mililitros por hora até dezenas de toneladas por hora na indústria. Com relação ao ‘scale-up’ do equipamento, não há limites, podendo apresentar vazões de alimentação acima de 100 toneladas por hora. Entretanto, esta capacidade não leva a elevados custos de capital quando comparada às de outros secadores.

Produtos que utilizam Spray-dryer:

Especialmente produtos que apresentam sensibilidade ao calor, como alimentos e materiais de origem biológica. • extratos e produtos oriundos de plantas;• corantes;• microorganismos; • produtos com leveduras, enzimas e proteínas;• destaque recente na microencapsulação de substâncias.

Princípio de funcionamento do secador:

Sua eficácia está baseada no princípio do aumento de área de contato entre o material a ser seco e o agente secante. Este princípio pode ser entendido se considerarmos uma esfera como a forma que o material toma quando é atomizado por um bico de "spray". Para esferas, quando diminuímos o seu diâmetro pela metade, temos um aumento de oito vezes na sua área superficial.

Por exemplo:Um líquido pulverizado em gotículas de 100 microns gera uma área superficial de 3.400 m2/kg. Se for pulverizado em gotículas de 20 microns, sua área chegará a 17.000 m2/kg, o que corresponde a espalhar um galão de líquido sobre a superfície toda de dois campos de futebol.

Há quatro etapas principais no processo de secagem por aspersão:

(a) atomização da alimentação: é de fundamental importância que o produto líquido forme uma aspersão de gotículas uniformes de dimensões desejadas e que a aspersão se distribua por todo o agente de secagem quente.

(b) sistema de aquecimento e circulação do agente de secagem: o aquecimento pode ser realizado com vapor direto ou com aquecedores indiretos com gás combustível. O movimento do agente de secagem através do sistema é feito empregando-se ventiladores centrífugos, instalados na entrada e saída do agente de secagem.

(c) câmara de secagem: é a parte do secador na qual se tem o contato do agente de secagem e as gotículas do líquido, isto é, o local onde se dá efetivamente o processo de secagem.

(d) recuperação do produto: o produto seco cai no fundo da câmara de secagem e é retirado por rastelos, transportador sem fim ou válvulas rotatórias.

Diagrama esquemático de funcionamento de um Spray Dryer

Esquema de um Spray-Fluidizado. 1) Ar Quente; 2) Entrada de Ar; 3) Bomba de Alimentação; 4) Introdução de Ar para resfriamento do Produto; 5) Produto Seco Frio; 6) Leito Fluidizado; 7) Produto Final Seco; 8) Bico de Atomização-Spray; 9) Câmara de Produto Atomizado (névoa); 10) Ciclone de Recuperação; 11) Filtro de Ar Invertido; 12) Saída de Ar; 13) Produto recuperado; 14) Leito Fluidizado de Aglomeração.

A secagem por aspersão pode ocorrer com o fluxo de forma:

a)Concorrente: expõe as gotas à maior temperatura do agente de secagem e, desta forma, uma rápida evaporação ocorre. Portanto, esta característica pode levar a produtos que apresentam baixa densidade de partículas e que consistem de estruturas ocas.

b) Contracorrente: contracorrente expõe as partículas que estão quase secas às temperaturas mais elevadas e, desta forma, produtos extremamente secos podem ser produzidos.

ATENÇÃO: É impossível secar e resfriar um produto em um mesmo equipamento de secagem por aspersão. Portanto, o resfriamento é, em geral, efetuado em um sistema pneumático subseqüente.

Fluxo concorrente Fluxo contracorrente

Há três mecanismos diferentes que podem ser usados para atomizar (aspergir) a alimentação:

a) bocal de um único fluido: é o mais utilizado e produz partículas maiores que as produzidas pelo rotatório (120 – 250 μm). Entretanto, o tamanho da partícula depende da pressão de alimentação (entre 50 e 300 atm), e apresenta tendências de entupimento.

b) bocal pneumático (ou de dois fluidos): é utilizado para pequenas operações de secagem e em ocasiões em que a alimentação é relativamente mais viscosa.

c) atomizador rotatório: este tipo de atomizador produz partículas relativamente menores (30 – 120 μm) e as tendências ao entupimento são desprezíveis devido aos largos canais de escoamento. Em geral, o atomizador rotatório é preferido para maiores valores de vazão de alimentação (e.g., excedendo 5 t/h). Um atomizador rotatório pode ser utilizado somente em operações com fluxo concorrente.

Modelos de atomizador rotatório

Atomizador duplo fluido

“Spray dryer” escala piloto LM SD 5.0 (Labmaq), e seus sistemas principais. 1) Câmara de secagem. 2) Ciclone separador de pó 3) Painel de programação e controle 4) Frasco coletor de pó 5) Bico atomizador.

MSD 1.0 (Labmaq) e seus sistemas principais: 1) Chave geral 2) Controle do aquecimento; 3) Controle de bombeamento de líquido; 4) Câmara de secagem 5) Separador de pó seco 6) indicador de temperatura de saída do produto e 7) Frasco coletor do pó seco.

Torre de secagem na Crow Andersen Inc.1) Câmara de secagem2) Ciclone separador de pó3) Exaustor 4) Coletor de pó seco.

Desidratador spray dryer para leite em pó.1) Desidratador;2) Ar Aquecido; 3) Leite Líquido; 4) Bomba de Pressão; 5) Atomizador; 6) Ciclone;7) Filtro; 8) Saída do Ar; 9) Saída do Leite em Pó.

Umidade de um sólido

Quando lemos um valor para a umidade de um sólido devemos ficar alerta se o número se refere à base seca ou úmida. A negligência deste fato pode levar a se receber um produto ou matéria prima com mais água do que se supõe.

Define-se umidade de um sólido na base seca (Wd) como o quociente entre a massa de umidade (Ma) e a massa do sólido isenta desta umidade

Wd pode ser expresso por exemplo em kg de água por kg de sólido seco.

Define-se umidade de um sólido na base úmida (Ww) como o quociente entre a massa de umidade (Ma) e a massa do sólido úmido (Md+Ma):

Ww pode ser expresso por exemplo em kg de água por kg de sólido úmido.

A transformação da umidade de uma base para outra pode ser obtida pelas seguintes expressões e pela figura:

Relação entre base seca e úmida

Cálculos de balanço de massa em secagem

1) Um produto biotecnológico é obtido, após o processo de fabricação, com 55% p/p de água e é fabricado a uma taxa de 500 kg/h. Para o produto ser comercializado é necessário uma secagem até o teor de água de 30% p/p. Qual a quantidade de água a ser removida por hora?

2) Os produtos da pesca podem ser transformados em farinha de peixe, e esta farinha pode ser usada como ração para a produção de carne para o homem ou usada diretamente como alimento. O uso direto da farinha de peixe aumenta significativamente a eficiência da cadeia alimentar. Como tal, ele compete com proteínas da soja e de outras oleaginosas.

No processamento do peixe, após a extração do óleo, a torta de peixe é seca em sacadores de tambor rotativo, moída fina e empacotada. O produto resultante contém 65% de proteína. Em certo lote de torta de peixe contendo 80% de água (o restante é torta seca), 100 kg de água são removidos, e constata-se que agora o teor de água na torta é de 40%. Calcule o peso de torta de peixe originalmente colocado no secador.

3) A biomassa obtida em um processo fermentativo contém 77% p/p de água. Após a secagem, 60% p/p do conteúdo original de água da alimentação foi removido. Considerando como base de cálculo 1000 kg de alimentação, calcule:

a) A composição da biomassa seca obtida após o processo de secagem;b) A massa de água removida por kg de biomassa úmida.