Orientador : Gonzalo Roa Mejia

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos

Resumo:Apesar da produção brasileira de cafe ter sofrido um revés nos ultimas anos, o Brasil ainda é o maior produtor e exportador de café. O café brasileiro, entretanto, tem perdido qualidade para outros países da América latina. O produto colhido pode ser processado integralmente, ou despolpado de...

Resumo:Apesar da produção brasileira de cafe ter sofrido um revés nos ultimas anos, o Brasil ainda é o maior produtor e exportador de café. O café brasileiro, entretanto, tem perdido qualidade para outros países da América latina. O produto colhido pode ser processado integralmente, ou despolpado de deixando a semente envolta apenas no pergaminho. Esta última pratica permite utilizar somente o grão maduro e promover uma secagem mais uniforme, resultando um produto de melhor qualidade. No Brasil, devido ãs grandes extensões de cultura, falta de mão de obra e problemas técnico-econômicos não se realiza o despolpamento. O cafe colhido na forma de grãos naturais (frutos do cafeeiro), e secado em terreiros de cimento, tijolo ou chão batido, ou então realiza-se uma meia seca em terreiro e termina a secagem em secadores com aquecimento artificial e movimentção dos grãos. O primeiro sistema é muito rústico e o segundo bem sofisticado. Nos objetivos deste trabalho, foram incluídos 1 testes de sistema de secagem de grã os naturais de café, com aproveitamento da energia solar, para diminuir o tempo, o espaço e a mão de obra qua se gasta em terreiros, evitar os danos na qualidade e reduzir custas operacionais altos que ocorrem com secadores artificiais. Foram desenvolvidos experimentos de secagem natural em terreiros com o objetivo de estudar a influencia de variáveis ambientais na secagem. Para isto, mudou-se a posição dos grãos em relação a superfície do terreiro colocando o produto em peneiras horizontais a 30 cm do solo, verticais, inclina- das e rentes ao solo (sistema tradicional). No início da secagem, os sistemas não tradicionais mostraram maior eficiência devido a maiores turbulências do ar em contato com um produto com alto teor de umidade superficial. A turbulência ocasiona maiores velocidades de transferência de calor e massa nestes sistemas. Ao final da secagem, porém, o método tradicional, com maior absorção da energia radiante e menos esfriamento, foi mais eficiente por aumentar a energia interna do grão, necessária para vencer uma maior resistência interna a difusão de umidade. Em vista de não haver uma melhoria na eficiência da secagem com as modificações introduzidas, uma análise mais profunda não foi efetuada. Outro experimento foi realizado, procurando melhorar o aproveitamento da energia solar na secagem de café. A secagem natural em terreiros que normalmente dura de 15 a 20 dias, foi reduzida para 7 dias e meio em um silo estacionário. Foram secos 313 Kg de café (peso inicial) com teor médio inicial de umidade de 44% (base úmida), altura inicial da camada de 0,735 m. Um coletor solar plano de 8 m2 de área, foi ligado ao silo afim de aumentar a energia"do ar ambiental para a secagem. Conseguiu-se acréscimos na temperatura do ar em torno de 20°C , para uma vazão ao redor de 26 m3 /min.ton., ás 12:00 horas (meio dia). Um modelo matemático, desenvolvido na UNICAMP composto de 3 equações teóricas diferenciais e uma equação empírica de secagem em camada delgada, foi utilizado na analise dos resulta dos experimentais e posteriores simulações. Propriedades do produto, indispensáveis na análise, tiveram que ser determinadas em laboratório. Um experimento de secagem em silo-piloto nos forneceu dados para estudar a variação do volume do café durante a secagem, e como consequencia a variação da érea específica e densidade dos grãos. Demonstrou-se que o volume e a densidade variam linearmente com o teor de umidade. A variação da área específica foi calculada por uma equação empírica em função do teor de umidade. Foram determinados, experimentalmente, teores de umidades de equilíbrio dos grãos a temperaturas de 10, 30 e 51,0 °C e umidades relativas próximas de 11,0; 25,0; 35,0 51,0; 62,0; 75,0 e 95,0 %. Uma equação empírica de umidade de equilíbrio foi utilizada na análise da secagem do silo. Seus parâmetros foram determinados por meio de regressão línear e os dados experimentais. Uma equação, também empírica, de secagem em camada delgada, foi utilizada na análise. Experimentos de secagem em camada delgada a 75, 60, 45 e 32°C, forneceram os dados para calcular os parâmetros da equação por regressão linear. Os dados calculados pelo modelo apresentaram boa aproximação em relação aos dados experimentais. O modelo foi utililizado para confirmar a proposição de que a secagem parcelada (com horas de descanso) diminui o tempo que o café permanece no secador. Outras simulações permitiram verificar o ganho de energia com a utilização do coletor solar e a possibilidade de utitlizar as variáveis de contorno para diminuir o gradiente de umidade no silo. Foi demonstrada, enfim, a viabilidade do modelo para estudos de sistemas de secagem de café. Condições ótimas de secagem com energia solar podem ser simuladas para aumentar a eficiência do secador, diminuir o custo e produzir um produto de boa qualidade

Abstract: Though coffee production in Brazil has suffered a setback In recent years, Brazil remains the foremost coffee producer and exporter. Brazilian coffee, however, has declined in quality compared with that of other producers in Latin America. The harvested product can be processed either...

Abstract: Though coffee production in Brazil has suffered a setback In recent years, Brazil remains the foremost coffee producer and exporter. Brazilian coffee, however, has declined in quality compared with that of other producers in Latin America. The harvested product can be processed either whole {raw ' beans) or without the pulp, leaving the seed encased in its parchment (pulped beans). As the latter process requires use of only the ripe beans (cherries) for uniform drying, the final product is of better quality. Due to expanding cultivation, 1 lack of manpower, and problems both technical and economic, the hulling of coffee in Brazil is not widespread. The harvested coffee in the form of raw beans (fruit of the coffee plant) is either completely dried on concrete, brick or earthen floors, or is partially dried in this manner and the process completed in driers by means of artificial heating and tumbling of the beans. The first process is very primitive while the second is much more sophisticated. The objectives of this investigation were to test a process of drying raw coffee beans by means of solar energy, in order to reduce the time, space and manual labor involved in floor drying and to avoid the damage and high operational costs incurred with artificial dryers. Tests of natural ,drying on floors were developed in order to study the influence of environmental variables involved in the drying process. For this reason the beans were ' placed in four positions: (!) in horizontal sieves 30 m above the ground; (2) in vertical sieves having the lower edge 10 cm above the ground; (3) in sieves inclined at end an angle of ' about 45° with the lower edge an the ground; and (4) In horizon sieves on the around, insulated by a sheet of waterproof plastic (traditional position). At the outset of the drying period, the non-tradÍtiona1 process proved to be more effective due to a more vigorous air turbulence and contact with the product; it was possible to have a higher rate of heat and mass transfer in these systems. Towards the end, however, the traditional method, having greater absorption of radiant energy and less cooling
proved to be more efficient in increasing the internal energy of the bean, a condition necessary to overcome internal resistance to moisture diffusion. In view of the fact that there was no improvement in the efficiency of the drying process with the fore going modifications, a more detailed analysis was not undertaken. Another experiment at temp ting to improve the use of solar energy during the coffee drying process was effectuated. A natural floor-drying process which normally lasts 15-20 days was reduced to 7 1/2 days in a stationary silo. Three hundred and thirteen kilograms of coffee were dried in a layer with an initial height 0,735 meters. A fiat solar collector with an area of 8 square meters was connected to the silo in ' order to Increase the energy of the air Inside for the drying process. Temperature increases of about 20°C were obtain- ed with the help of an air flow of about 26 m/min.ton, at 12:00 noon. A mathematical model, developed at the Universidade de Campinas, São Paulo state, and composed of three theoretical differentia! equations and one empirical thin layer drying equation was used to analyze the experimental results and to make posterior simulations. Properties of the product which were in- dispensable to the analysis, had to be determined in the laboraty. An experiment whereby the drying process took place in "pilot-si1os" furnished data with which the variation in the volume of coffee during the drying process could studied and, cones quently, the variation of the specific area and density of the beans. It was shown that both the volume and the density vary linearly with the moisture content. Equilibrium moisture content as data were determined experimentally for the beans at temperatures of 10 °C. 30°C, 55°C, and relative humidities of approximately 11%, 25%, 35%, 51%, 62%, 75% and 35%. An empirical equation for equilibrium moisture content was used in analyzing the drying process within the silo, the parameters of which were determined by means of non-linear regression and experimental data. A second empirical equation for drying in thin layers was used in the analysis. Experiments with drying in thin layers at 75 ºC, 60ºC, 45ºC, 32ºC furnished data with which it was possible to calculate the parameters of the equation by linear regression . The values calculated by means the model reveal- ed a good approximation to the experimental data. The model was used to confirm the hypothesis that the divided drying process (with intervals of rest) reduce d the time that the coffee remained in the dryer. Other simulations enabled the gain in energy due to the use to be verified. The possibility of using contour variables to reduce the gradient of humidity in the silo was also determined. Finally, the experiment demonstrated the viability of the model in studying systems of coffee drying under optimal drying conditions with solar energy can be simulated in order to increase the efficiency of the dryer, to re duce the cast and to produce a high-quality product