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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
QUÍMICA
ESTUDO DA EXTRAÇÃO MECÂNICA DE BIXINA DAS SEMENTES
DE URUCUM EM LEITO DE JORRO
FABIANO GUIMARÃES E CUNHA
Uberlândia – MG
2008
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
QUÍMICA
ESTUDO DA EXTRAÇÃO MECÂNICA DE BIXINA DAS SEMENTES
DE URUCUM EM LEITO DE JORRO
Fabiano Guimarães e Cunha
Orientador: Marcos Antonio de Souza Barrozo
Co-Orientador: Carlos Henrique Ataíde
Dissertação submetida ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Química da
Universidade Federal de Uberlândia como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Mestre em Engenharia Química
Uberlândia – MG
2008
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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
C972e
Cunha, Fabiano Guimarães e, 1982-
Estudo da extração mecânica de bixina das sementes de urucum em
leito de jorro / Fabiano Guimarães e Cunha. - 2008.
92 f. : il.
Orientador: Marcos Antonio de Souza Barrozo.
Co-orientador: Carlos Henrique Ataíde.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Uberlândia, Progra-
ma de Pós-Graduação em Engenharia Química.
Inclui bibliografia.
1.
Processo de leito de jorro - Teses. 2. Corantes - Teses. I. Barrozo,
Marcos Antonio de Souza. II. Ataíde, Carlos Henrique. III. Universidade
Federal de Uberlândia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Quí-
mica. IV. Título.
CDU: 66.047.79
Elaborado pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Setor de Catalogação e Classificação
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA AO PROGRAMA DE PÓS-
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE
UBERLÂNDIA COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA
OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM ENGENHARIA QUÍMICA, EM 25 DE
ABRIL DE 2008.
BANCA EXAMINADORA
____________________________________________
Prof. Dr. Marcos Antonio de Souza Barrozo
Orientador PPGEQ/UFU
____________________________________________
Prof. Dr. Carlos Henrique Ataíde
Co-orientador PPGEQ/UFU
____________________________________________
Prof. Dr. Cláudio Roberto Duarte
PPGEQ/UFU
____________________________________________
Prof. Dr. João Jorge Ribeiro Damasceno
PPGEQ/UFU
____________________________________________
Prof. Dr. Luis Alexandre Pedro de Freitas
FCFRP/USP
AGRADECIMENTOS
Aos meus orientadores e amigos Marcos Barroso e Carlos Ataíde, pelo empenho e
dedicação com que acompanharem meu trabalho e pelo apoio dado durante todo esse
período. Agradeço também a eles por mais essa contribuição na minha formação
profissional e também pessoal.
Aos meus amigos de jornada que ajudaram a tornar esses anos mais fáceis. Em
especial a Kássia, Kris, Letícia, Leandro e Talita.
Aos meus amigos e alunos de IC que me ajudaram muito na realização desse
trabalho: Alexandre, Amanda, Carol, Edelize, Marcão, Lucas e Raiana.
Aos professores da FEQ/UFU por seus ensinamentos e principalmente pela
amizade. Em especial ao Professor Humberto Molinar Henrique pela grande ajuda com a
instrumentação da unidade experimental.
A Dona Ione e ao Sr. Alcides (Cidão), pelos cuidados e pela amizade durante esse
tempo.
Agradeço a Capes e ao CNPq pela concessão de bolsa e incentivo à pesquisa.
A todos que indiretamente contribuíram para a realização desta dissertação. Muito
Obrigado
SUMÁRIO
ÍNDICE DE TABELAS
i
ÍNDICE DE FIGURAS
ii
ÍNDICE DE SÍMBOLOS
iv
RESUMO
vii
ABSTRACT
viii
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO.......................................................................................
1
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..............................................................
6
2.1 - Corantes........................................................................................................................
6
2.1.1 - História dos Corantes na Produção de Alimentos.....................................................
6
2.1.2 - Corantes Naturais versus Corantes Artificiais..........................................................
7
2.1.3 - Legislação No Brasil.................................................................................................
9
2.1.4 - O Urucum..................................................................................................................
11
2.1.5 - Corante Bixina...........................................................................................................
17
2.1.6 - Tecnologias de Obtenção de Corantes do Urucum................................................... 21
2.2 - O Leito de Jorro............................................................................................................
24
2.2.1 - Histórico e Características.........................................................................................
24
2.2.2 - Tipos de leito de jorro...............................................................................................
26
2.2.3 - Fluidodinâmica do Leito de jorro.............................................................................. 27
2.2.4 - Quedas de Pressão..................................................................................................... 32
2.2.5 - Velocidade de Jorro Mínimo.....................................................................................
2.2.6 - Extração Mecânica da Bixina em Leito de Jorro.......................................................
34
35
2.3 - A Técnica de Fluidodinâmica Computacional..............................................................
36
2.3.1 - Revisão do Modelo Uutilizado Nas Simulações (CFD)............................................
38
CAPÍTULO 3 – MATERIAIS E MÉTODOS...................................................................
42
3.1 - A Caracterização das Sementes de Urucum.................................................................
42
3.1.1 - A Determinação da Densidade das Sementes...........................................................
42
3.1.2 -
A Determinação do Diâmetro da Esfera de Volume Mesmo Volume que o da
Partícula (d
P
)..............................................................................................................
42
3.2 - A Determinação da Concentração de Bixina no Pó Extraído.......................................
43
3.3 - A Unidade Experimental...............................................................................................
44
3.3.1 - O Procedimento Experimental...................................................................................
46
3.4 - O Planejamento de Experimentos................................................................................
46
3.5 - Influência da Distância do Tubo Draft à Base..............................................................
48
3.6 - A Execução Numérica..................................................................................................
48
3.6.1 - A Malha Computacional............................................................................................
48
3.6.2 - O Modelo Matemático...............................................................................................
48
3.6.3 - O Procedimento de Resolução...................................................................................
49
CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES........................................................
50
4.1 - Resultados Experimentais.............................................................................................
50
4.1.1 - A Caracterização Física das Sementes.......................................................................
50
4.1.2 - As Curvas Características..........................................................................................
51
4.1. 3 - Condições de Jorro Mínimo.....................................................................................
57
4.1. 4 - Tempo de Processamento das Sementes..................................................................
59
4.1. 5 - Resultados do Planejamento Experimental..............................................................
60
4.1.6 - Estudo da Influência da Altura do Tubo Draft à Base (h
t
) no Processo de Extração
Mecânica...................................................................................................................
64
4.1.7 - Cinética de Concentração..........................................................................................
66
4.2 - Resultados Simulados em CFD....................................................................................
67
4.2.1 -
Velocidades de Jorro Mínimo Simuladas, Perfis de Concentração e Vetor
Velocidade das Partículas.............................................................................................
67
4.2.2 - Estudo da Influência da Distância do Tubo Draft à Base utilizando CFD................
71
CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES...........................................................
75
CAPÍTULO 6 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................ 77
APÊNDICE A
Placa de Orifício....................................................................................................................
82
APÊNDICE B
Calibração da Instrumentação de Aquisição de Dados.........................................................
87
APÊNDICE C
Resultados Experimentais da Caracterização Física das Sementes...................................... 91
i
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1: Usos de corantes de urucum em alimentos...........................................................
19
Tabela 2.2: Usos do Extrato de urucum em alimentos............................................................
20
Tabela 2.3: Processos de extração de corante de urucum........................................................
23
Tabela 3.1: Dimensões do Leito de Jorro. ..............................................................................
44
Tabela 3.2: Variáveis e seus repetíveis níveis.........................................................................
47
Tabela 3.3: Condições operacionais para análise da influência de três variáveis na extração
mecânica da bixina em leito de jorro. .....................................................................................
47
Tabela 4.1: Propriedades físicas da semente de urucum.........................................................
51
Tabela 4.2: Condições de jorro mínimo..................................................................................
57
Tabela 4.3: Comparação das vazões de jorro mínimo experimentais com as vazões obtidas
usando a Equação de MATHUR e GISHLER (1955) para o leito de jorro
convencional............................................................................................................................
58
Tabela 4.4: Condições operacionais para análise da influência de três variáveis na extração
mecânica da bixina em leito de jorro. .....................................................................................
61
Tabela 4.5: Efeitos Estatísticos significativos. .......................................................................
62
Tabela 4.6: Velocidade de jorro mínimo simulada (CFD) e experimental para a
configuração sem draft............................................................................................................
71
Tabela 4.7: Número de células, faces e nós gerados em cada configuração do leito de jorro.
71
Tabela A1: Perfis de velocidade e queda de pressão fornecida pela placa de orifício............
84
Tabela A2: Funções velocidade ajustadas e vazão de ar fornecida pelo soprador..................
85
Tabela B1: Dados experimentais da calibração da instrumentação de aquisição de dados.....
88
Tabela C1: Resultados experimentais da caracterização física das sementes.........................
92
ii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1: Ilustração externa e interna dos frutos do urucuzeiro. .........................................
1
Figura 1.2: Superfície da semente de urucum.........................................................................
2
Figura 2.1: Vista parcial de uma planta de Urucuzeiro. .........................................................
12
Figura 2.2: (a) Floração e frutificação de Urucuzeiro, (b) Frutos (cachopas) de Urucuzeiro,
(c) Sementes de Urucuzeiro, (d) Sementes em maturação plena. ...........................................
12
Figura 2.3: (a) Secador natural para sementes de Urucuzeiro, (b) Secador artificial para
sementes de Urucuzeiro. .........................................................................................................
14
Figura 2.4: Estrutura dos carotenóides bixina e norbixina, cis e trans...................................
18
Figura 2.5: Representação do leito de jorro cilíndrico. ..........................................................
25
Figura 2.6: Diagramas esquemáticos do leito de jorro convencional e dos leitos com o tubo
draft poroso e não poroso. ......................................................................................................
27
Figura 2.7: Curva típica de queda de pressão em função da vazão de fluido. ........................
29
Figura 3.1: A Unidade Experimental. .....................................................................................
44
Figura 3.2: Malha adotada. .....................................................................................................
48
Figura. 4.1: Curva Característica de queda de pressão versus vazão de ar (Leito de jorro
com configuração convencional, M
S
= 2 Kg e H
0
= 17cm) ....................................................
53
Figura. 4.2: Curva Característica de queda de pressão versus vazão de ar (Leito de jorro
com configuração convencional, M
S
= 2,5 Kg e H
0
= 19cm) .................................................
53
Figura. 4.3: Curva Característica de queda de pressão versus vazão de ar (Leito de jorro
com tubo draft, h
t
= 4cm, M
S
= 2Kg e H
0
= 17cm). .............................................................
55
Figura. 4.4: Curva Característica de queda de pressão versus vazão de ar (Leito de jorro
com tubo draft, h
t
= 7cm, M
S
= 2Kg e H
0
= 17cm). ..............................................................
55
Figura. 4.5: Curva Característica de queda de pressão versus vazão de ar (Leito de jorro
com tubo draft, h
t
= 4cm, M
S
= 2,5Kg e H
0
= 19cm). ..........................................................
56
Figura. 4.6: Curva Característica de queda de pressão versus vazão de ar (Leito de jorro
com tubo draft, h
t
= 7cm, M
S
= 2,5Kg e H
0
= 19cm). ..........................................................
56
Figura. 4.7: Variação da massa de pó extraída e da produtividade do processo em função
do tempo de processamento (M
S
= 2,5kg, sem a presença do tubo draft)..............................
59
Figura 4.8: Resultados experimentais de variação da massa de pó extraída (M
P
) com o
tempo para diferentes alturas de tubo draft (h
t
). .....................................................................
63
Figura 4.9: Resultados experimentais de variação produtividade (P
r
) com o tempo para
diferentes alturas de tubo draft (h
t
). ........................................................................................
64
Figura 4.10: Variação da massa de pó extraída (M
P
) com o tempo para diferentes alturas
de tubo draft (h
t
). ....................................................................................................................
65
iii
Figura 4.11: Massa total produzida (M
T
) para diferentes alturas de tubo draft (h
t
). ..............
65
Figura 4.12: Variação da concentração do pó extraído com o tempo para: h
t
= 4cm e 7cm.
67
Figura 4.13: Distribuição de fração volumétrica de sólidos para M
S
= 2 kg, a) U
jm
; b) U =
1,18 U
jm
sem tubo draft; c) com tubo draft, h
t
= 7 cm, na mesma velocidade do caso b........
68
Figura 4.14: Distribuição de fração volumétrica de sólidos para o leito com M
S
= 2,5 kg, a)
U
jm
b) U = 1,11U
jm
sem tubo draft; c) com tubo draft,h
t
=7 cm, na mesma velocidade do
caso b .....................................................................................................................................
69
Figura 4.15: Vetor de velocidade das partículas (M
S
= 2 kg): a) leito de jorro convencional;
b) leito de jorro com tubo draft (h
t
= 7 cm) .............................................................................
70
Figura 4.16: Vetor de velocidade das partículas (M
S
= 2,5 kg): a) leito de jorro
convencional, b) leito de jorro com tubo draft (h
t
=7 cm)…....................................................
70
Figura 4.17: Perfil de fração volumétrica de sólidos para o leito de jorro com o tubo draft
para as diferentes distâncias do draft à base (h
t
= 4, 5, 6 e 7cm)….........................................
72
Figura 4.18: Velocidade do ar ao longo do leito de jorro para h
t
= 4, 5, 6 e 7 cm. .................
73
Figura 4.19: Velocidade do urucum ao longo do leito de jorro para h
t
= 4, 5, 6 e 7 cm..........
73
Figura A1: Vista frontal e lateral da placa de orifício utilizada. ............................................
83
Figura A2: Vista lateral do conjunto placa de orifício e flanges utilizado..............................
83
Figura A3: Ajuste dos valores de vazão de ar e queda de pressão fornecida pela placa a à
Equação 2. ...............................................................................................................................
85
Figura B1: Ajuste linear dos valores de queda de pressão fornecida pelo manômetro e da
voltagem fornecida pelo transdutor diferencial. .....................................................................
89
Figura B2: Ajuste linear dos valores de queda de pressão fornecida pelo manômetro e da
voltagem fornecida pelo transdutor do tipo sonda. .................................................................
89
iv
ÍNDICE DE SÍMBOLOS
C
b
Concentração de bixina
[%]
C
D
Coeficiente de arraste
[-]
D
485nm
Densidade ótica absorbância) da diluição em 485 nm
[-]
Dc Diâmetro da coluna
[m]
Di Diâmetro do orifício
[m]
d
p
Diâmetro da esfera de mesmo volume que a partícula
[mm]
d
t
Diâmetro do tubo draft
[cm]
Ds Distância entre as partículas
[mm]
DP Desvio Padrão
[-]
e
ss
Coeficiente de restituição das partículas
[-]
F Taxa de recirculação de partículas.
[kg/s]
f
Fator de Arraste
[-]
F
r
Força externa do
corpo [m/s
2
]
lift
F
r
Força de ascensão
[N]
vm
F
r
Força mássica virtual,
[N]
g Aceleração da gravidade [m/s
2
]
g
0,ss
Função distribuição radial
[m]
H Altura do leito de partículas
[m]
H
c
Altura da seção cônica
[m]
H
M
Altura máxima
[m]
H
o
Altura do leito estático de partículas
[m]
H
cil
Altura da parte cilíndrica do leito de jorro
[m]
H’ e h Altura das seções cônicas do leito de jorro
[m]
h
t
Distância do tubo draft à base do leito de jorro
[m]
L
t
Comprimento do tubo draft
[cm]
gs
K
Coeficiente de troca de momento entre as fases, kg m
-3
s
-1
[kg/m
3
s]
s
k
θ
Coeficiente de difusão de energia, J kg
-1
[J /kg]
M Massa de sólidos no leito
[Kg]
M
P
Massa de pó extraída
[g]
v
M
S
Massa da carga de sementes processados no leito
[Kg]
M
T
Massa de total de pó extraída
[g]
p
Pressão
[N /m
2
]
p
s
Pressão de sólidos
[N /m
2
]
Pr Produtividade de pó
[g/Kg.h]
Q
jm
Vazão de jorro mínimo
[m
3
/h]
R
e
Número de Reynolds
[-]
R
es
Número de
Reynolds da partícula
[-]
s g
R
r
Força de interação entre as fases
[N]
S
φ
Termo de geração da propriedade
[-]
∆P
M
Queda de pressão máxima
[Pa]
∆P
jm
Queda de pressão no jorro mínimo
[Pa]
∆P
s
Queda de pressão no leito de jorro
[Pa]
t Tempo de processamento
[h]
U Velocidade das sementes de urucum
[m/s]
U
jm
Velocidade de jorro mínimo
[m/s]
U
S
Velocidade superficial de jorro
[m/s]
v Velocidade do ar
[m/s]
v
jm
Velocidade de jorro mínimo
[m/s]
Símbolos Gregos
g
α
Fração volumétrica da fase gasosa,
[-]
s
α
Fração volumétrica da fase de granular
[-]
,max
s
α
Máxima fração volumétrica de sólidos
[-]
ε
Porosidade
[-]
ε
s
Concentração de sólidos
[-]
ε
mf
Porosidade mínima de fluidização
[-]
γ
θ
s
Energia de dissipação devido à colisão
[-]
λ
s
Viscosidade bulk de sólidos
[Pa.s]
vi
µ
Viscosidade da fase fluida
[Pa.s]
s
µ
Viscosidade de cisalhamento
[Pa.s]
φ
c
Ângulo da parte cônica
[-]
s
θ
Temperatura granular
[-]
g
ρ
Densidade da fase continua
[Kg/m
3
]
s
ρ
Densidade da fase granular
[Kg/m
3
]
ρ
p
Densidade da partícula sólida
[Kg/m
3
]
ρ
s
Densidade da semente de urucum
[Kg/m
3
]
τ
s
Tempo de relaxação da partícula
[s]
s
τ
Tensor tensão de sólidos, N m
-2
[N/m
2
]
g s
φ
Troca d energia entre as fases fluida e sólida
[J]
Ψ ou φ
Esfericidade
[-]
vii
RESUMO
O interesse e o consumo dos corantes naturais têm aumentado muito nos últimos
anos. As sementes do urucum possuem um corante situado nas partes externas denominado
bixina. O leito de jorro por se tratar de um equipamento barato e de operação simples, pode
ser uma excelente alternativa para extração mecânica da bixina da superfície das sementes
de urucum, em pequenas e médias propriedades rurais. Entretanto, apesar de apresentar
algumas características fluidodinâmicas interessantes para a referida aplicação, tais como
um intenso movimento das partículas e um efetivo contato gás-sólido, o leito de jorro
apresenta algumas restrições, que tem limitado a sua utilização. Este trabalho teve como
objetivo estudar os efeitos das variáveis: uso do tubo draft, a carga de sementes e a
velocidade do ar no processo na extração mecânica da bixina em leito de jorro. A técnica
da fluidodinâmica computacional (CFD) foi utilizada para descrever numericamente a
fluidodinâmica do escoamento das sementes de urucum e do ar no leito de jorro. Por meio
dos resultados obtidos foi possível obter as condições operacionais que maximizam a
eficiência de remoção e permitem a obtenção de um produto com a qualidade adequada. A
partir do planejamento experimental realizado para estudar o efeito da carga de sementes,
da vazão do ar e da presença do draft na extração mecânica da bixina, foi possível concluir
que a presença do “draft” foi a variável que teve o maior efeito em todas as respostas
estudadas (massa de pó extraído, produtividade e concentração de bixina). Uma vez que a
presença do tubo interno mostrou ser a variável que governa a cinética de atrição, foi
estudado o efeito da distância do tubo à base do leito (h
t
), tendo em vista a maximização da
produção do corante. Os resultados experimentais mostraram que a distância do draft à
base (h
t
) que mais favorece a extração mecânica da bixina em leito de jorro é de 4cm. Os
resultados da simulação por CFD ajudaram na compreensão do melhor desempenho para a
configuração do leito de jorro com tubo draft e h
t
= 4 cm. Com as simulações também foi
possível obter valores de velocidade para a condição de jorro mínimo próximo dos valores
experimentais, com erros relativos na ordem de 4%.
Palavras chave: Bixina, CFD, Corantes, Extração Mecânica, Leito de jorro, Tubo draft,
Urucum.
viii
ABSTRACT
The interest and the consumption of natural dyes have been increasing over the
last years. The urucum seeds have a dye located in their external layer called bixin. The
spouted bed, since it is an inexpensive equipment and because of its simple operation, can
be an excellent alternative for mechanical extraction of the bixin from the surface of the
urucum seeds, on small and average country properties. However, despite having some
interesting fluidodinamics characteristics for the related application, such as an intense
movement of particles and an effective gas-solid contact, the spouted bed presents some
restrictions that have limited its application. This work had as objective to study the effect
of the variables: use of the draft, the load of the urucum seeds and the air velocity on the
process of the mechanical extraction of the bixin in a spouted bed. The computational
fluidodinamics technique (CFD) was used to describe numerically the behavior both of the
urucum seeds and the air inside the spouted bed. By means of the results obtained it was
possible to achieve the operational conditions that maximize the efficiency of removal and
allow the attainment of a product with the appropriate quality. From the experimental
planning, carried through in order to study the effect of the load of the seeds, the air flow
and the presence of the draft in the mechanical extraction of the bixin from urucum seeds,
it was possible to get to the conclusion that the presence of the "draft" was the variable that
had the highest effect in all the studied answer variables (mass of extracted powder,
productivity and bixin concentration). Since the presence of the draft showed to be the
variable that governs the attrition kinetics, the effect of the distance from the draft base to
the spouted bed base (h
t
) was studied, in view of the maximization of the dyeing
production. The experimental results showed that the distance from the draft base to the
spouted bed base (h
t
) that most favors the mechanical extraction of the bixin in spouted bed
was the one of 4cm. The results of the simulation through CFD also helped in the
understanding of the best performance for the configuration of the spouted bed using a
draft, placed at h
t
= 4 cm. Through the simulations, it was also possible to get values of
velocity for the condition of minimum spouting, close to the experimental values, with
relative errors of about 4%.
Key words: Bixin, CFD, Draft, Dyes, Mechanical Extraction, Spouted Bed, Urucum.
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
Os corantes são substâncias utilizadas pelas indústrias para colorir, padronizar e
recuperar a cor de seus produtos, tornando-os mais atrativos ao consumidor. No passado,
os corantes artificiais eram os principais agentes de coloração dos produtos
industrializados. Hoje, com base nos resultados de estudos toxicológicos, o uso de
inúmeros destes corantes é proibido por legislações de países específicos. Assim, o
interesse e o consumo dos corantes naturais têm aumentado muito nos últimos anos.
Muitos dos aditivos naturais possuem também características funcionais e não só estéticas.
Ressalta-se, entretanto, que cuidados especiais devem ser observados na extração de certos
corantes naturais, uma vez que estes podem ser susceptíveis à oxidação ou mesmo
sensíveis à luz, ao pH do meio e ao calor.
Dentre esses corantes naturais, destaca-se o urucum de nome científico Bixa
orellana. As sementes do urucum possuem um corante situado nas partes externas,
responsável por sua coloração vermelha/alaranjada, a bixina.
Este destaque do urucum deve-se, em primeiro lugar, por se tratar do corante
natural com crescente importância na indústria mundial de alimentos e por ser bastante
cultivado em solo brasileiro
A Figura 1.1 apresenta uma ilustração dos frutos do urucuzeiro e a Figura 1.2
apresenta uma ilustração da superfície externa da semente do urucuzeiro.
Figura 1.1: Ilustração externa e interna dos frutos do urucuzeiro.
2
Figura 1.2: Superfície da semente de urucum (MENDONÇA, 1999).
.
O corante de urucum é extraído há séculos pelos índios, que utilizam seu poder
tintorial como “maquiagem” tribal. O urucum tem sido objeto de profissionalização de
cultivo, deixando no passado remoto a coleta selvagem. Em 2007, apenas no estado de São
Paulo, foram plantados cerca de 1,7 mil hectares o que envolveu cerca de 300 pequenos
produtores. Seu concentrado, denominado anato, apresenta um espectro de cores variando
do amarelo claro ao vermelho escuro. Este concentrado de bixina é utilizado
satisfatoriamente na coloração de produtos industriais como os de confeitaria; os derivados
do leite (queijo, manteiga, etc.), os de salsicharias, massas em geral e na produção de
cosméticos.
A bixina encontra-se concentrada nas camadas mais externas das sementes de
urucum. O fato do pigmento corante estar localizado na superfície das sementes, facilita o
processo de extração ao permitir que se opere com os grãos inteiros, sem necessidade de
trituração.
A técnica tradicional usada na obtenção desse corante é a extração sólido-líquido,
tendo como extratores, solventes específicos. A implantação da técnica de extração por
solventes em pequenas e médias cooperativas rurais torna-se inviável, tendo em vista o
baixo rendimento da extração frente aos altos custos requeridos: (i) na aquisição dos
equipamentos e acessórios necessários; (ii) na manutenção e compra de insumos; (iii) no
controle das variáveis operacionais para se manter a qualidade do corante, que está sujeito
à contaminação; à oxidação e à degradação térmica. Assim, o pequeno e médio produtor
rural brasileiro prefere vender a semente in natura por preços relativamente baixos,
comparados ao valor do corante industrializado.
As indústrias brasileiras compram do produtor a uma média de US$ 0,17 por
percentual de bixina, ou por US$ 0,50 por quilo de semente, e vendem no mercado o
3
corante lipossolúvel a R$ 10/kg e o hidrossolúvel a R$ 2,50/kg em média. O primeiro é
principalmente vendido para aplicações em margarinas, maioneses, recheios de biscoito e
massas, enquanto o segundo destina-se às salsichas, embutidos, balas e confeitos.
Além dos processos de extração por solvente, a bixina também pode ser extraída
por processos puramente mecânicos (MASSARANI et al., 1992), que consistem
geralmente de técnicas físicas simples que promovem a raspagem entre os grãos visando a
separação de sua camada externa que contém o corante, o qual é obtido na forma
predominante de bixina.
Conforme mencionado anteriormente, a extração por solventes é tradicionalmente
usada para remover a bixina da superfície das sementes de urucum. Este processo é caro e
requer vários estágios para obtenção do pigmento e recuperação do solvente. Novas
técnicas têm sido estudadas para este processo, como por exemplo, a extração do pigmento
através da atrição e do impacto. Um dos equipamentos já estudados com este objetivo é o
leito de jorro (MASSARANI et al., 1992), devido às suas características fluidodinâmicas
que permitem combinar, em uma mesma unidade, a atrição de partículas e a secagem das
sementes.
O leito de jorro por se tratar de um equipamento barato e de operação simples,
pode ser então uma excelente alternativa para extração mecânica da bixina da superfície
das sementes de urucum, em pequenas e médias propriedades rurais. Ressalta-se que este
equipamento pode ser facilmente instalado em uma propriedade ou em uma cooperativa
rural (PASSOS et al., 1997).
Cabe ressaltar, entretanto, que apesar de apresentar algumas características
fluidodinâmicas interessantes para a referida aplicação, tais como um intenso movimento
das partículas e um efetivo contato gás-sólido, o leito de jorro apresenta algumas restrições
como, por exemplo, a limitação da altura do leito de partículas, dificuldade de scale up do
equipamento e a impossibilidade de se trabalhar com partículas muito finas; o que tem
limitado a sua utilização (PASSOS et al.,1997). O melhor conhecimento do escoamento
fluido-partícula no leito de jorro pode ser vital para a otimização dessa técnica na extração
mecânica da bixina da superfície das sementes de urucum, e tornar viável a sua utilização
para este fim.
4
Um melhor entendimento dos fenômenos envolvidos na fluidodinâmica de um
leito de jorro passa necessariamente pelo desenvolvimento de uma modelagem com base
nas equações de conservação de massa, momentum e energia, com suas equações
constitutivas pertinentes O crescente desenvolvimento tecnológico abriu novas
possibilidades para a abordagem deste problema, com a utilização de cálculos e soluções
para os mais completos modelos matemáticos. Atualmente os microcomputadores já
apresentam velocidade e memória suficientes para o estudo de sistemas complexos
(DUARTE, 2006).
A partir do grande crescimento da capacidade de processamento e
armazenamento de dados dos computadores, um grande avanço tem sido obtido na geração
de softwares de fluidodinâmica computacional (CFD). A Fluidodinâmica Computacional
consiste na solução das equações gerais de transporte empregando métodos numéricos,
visando obter campos de velocidades, temperatura etc. Tal ferramenta apresenta grande
interesse do ponto de vista da Engenharia, devido a forte influência da fluidodinâmica na
eficiência e desempenho dos equipamentos utilizados em muitos processos, sendo que os
modelos mais simples, geralmente não são capazes de fornecer o grau de detalhamento
necessário. Associar técnicas de CFD ao estudo fluidodinâmico do leito de jorro pode
contribuir de maneira significativa na superação de algumas limitações desse equipamento,
encontrando a configuração e as condições adequadas para uma aplicação específica, como
é o caso da extração mecânica da bixina (DUARTE, 2006).
Uma vez que a realidade dos pequenos produtores é da venda das sementes; a
oportunidade de agregar valor a este produto, utilizando processos de extração que sejam
factíveis à sua realidade sócio-econômica, seria com certeza de grande valia para a
mudança da difícil realidade que enfrentam, principalmente em regiões pobres dos país,
como é o caso do norte de Minas. No caso dessa mudança de paradigma, conseqüências
naturais seriam o desenvolvimento regional e a geração de empregos.
Tendo em vista os aspectos supramencionados, este projeto tem como objetivo
estudar a viabilidade de utilização de uma pequena unidade para extração mecânica de
bixina das sementes de urucum utilizando-se um leito de jorro cilíndrico como
equipamento extrator.
5
Um estudo fluidodinâmico foi conduzido para escolha da configuração e
geometria mais adequadas para realização da extração mecânica em leito de jorro.
Escolhida esta configuração e as condições operacionais, foi também objetivo deste
trabalho realizar experimentos de extração mecânica da bixina em leito de jorro e avaliar
os efeitos das variáveis: a utilização ou não do tubo draft, a carga de sementes alimentadas
no leito de jorro e a velocidade do ar no processo de extração.
A técnica da fluidodinâmica computacional (CFD) foi utilizada para simular a
fluidodinâmica do escoamento das sementes de urucum e do ar no leito de jorro. Por meio
dos resultados obtidos foi possível obter as condições operacionais que maximizam a
eficiência de remoção e permitem a obtenção de um produto com teor de bixina adequado.
Os resultados obtidos por simulação foram confrontados com os experimentais,
obtidos no laboratório de sistemas particulados da FEQUI/UFU, bem como por outros da
literatura, visando a validação das simulações realizadas.
6
CAPÍTULO 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 - Corantes
2.1.1 - História dos Corantes na Produção de Alimentos
Os corantes são substâncias que têm a finalidade de conferir, intensificar ou
padronizar a coloração dos produtos alimentícios, proporcionando as mesmas
características de um produto natural. Eles são usados para restaurar possíveis perdas de
coloração que ocorrem durante a produção e armazenamento, para manter a uniformidade
do produto e atender as expectativas dos consumidores.
Até 1850 todos os corantes alimentícios provinham de três fontes: vegetais
comestíveis (cenoura para laranja, beterraba para vermelho, pele de uva escura para preta,
etc.); extratos de origem animal ou vegetal normalmente não consumidos como tais (acido
carmínico para vermelho, estigma de açafrão para laranja, etc.); e resultados da
transformação de substâncias naturais (caramelo para marrom), (SOUZA, 2000).
Em 1856, William Henry Perkin sintetizou o primeiro corante, a malva ou
malveína. Em 1865, Friedrich Engelhorn fundou a BASF (Badische Anilin - & Soda -
Fabrik A G), para produzir corantes derivados do alcatrão de hulha. Em 1906, apareceu
nos EUA a primeira legislação relativa à utilização de corantes na indústria alimentícia. No
final do século XIX mais de 90 corantes eram utilizados pela indústria alimentícia. Desde
essa época, pesquisas comprovaram que muitos corantes sintéticos são tóxicos e podem
causar anomalias em recém nascidos, distúrbios cardíacos ou cânceres (TEIXEIRA, 1969).
De um ponto de vista nutricional, o uso de corantes alimentícios não é necessário,
a sua função é apenas colorir os alimentos fazendo com que os produtos industrializados
tenham uma aparência mais parecida com a dos produtos naturais, sendo, portanto, mais
agradável aos olhos do consumidor. Eles são extremamente comuns, já que a cor e a
aparência têm um papel importantíssimo na aceitação dos produtos pelo consumidor. Uma
gelatina de morango, por exemplo, que fosse transparente não faria sucesso. Um
refrigerante sabor laranja sem corantes ficaria com a aparência de água pura com gás, o
que faria que parecesse mais artificial, dificultando sua aceitação.
7
Existem, entretanto, razões de ordem técnica para se colorir os alimentos, destacando-se as
seguintes:
Restaurar a cor dos produtos cuja coloração natural foi afetada ou destruída durante
o processamento;
Uniformizar a cor dos alimentos produzidos a partir de matérias-primas de origem
diversa;
Conferir cor a alimentos incolores.
2.1.2 - Corantes Naturais versus Corantes Artificiais
A notória simpatia dos consumidores pelos ingredientes de origem natural fez nos
últimos anos um conjunto de indústrias de formulação de aditivos alimentícios prosperar e
investir em pesquisa e desenvolvimento. Os mais beneficiados são os fornecedores de
corantes naturais, insumos com função estética e de grande importância para a indústria de
alimentos, onde são utilizados para deixar os produtos com cores mais sedutoras para o
consumo.
A crescente preferência pelos corantes naturais é mais forte no exterior, mas aos
poucos tem tomado corpo no Brasil. Este fato fez com que as principais empresas e centros
de pesquisa do ramo desenvolverem estudos para deixar os corantes naturais mais estáveis
à luz e ao calor, para desenvolver novas aplicações e superar problemas de fornecimento.
Este esforço foi induzido pela cautela mundial com os corantes sintéticos, contra os quais
vários estudos ao longo dos anos vêm apontando problemas de malefícios à saúde.
A literatura científica é farta em apontar cuidados com a ingestão dos sintéticos, a
despeito do ainda grande uso deles pelos produtores de alimentos e bebidas processadas.
Esses corantes são pigmentos ou tintas sintéticas do grupo azóico, sendo a maior parte
delas sintetizada a partir do alcatrão do carvão mineral.
A publicação de estudos do Codex Alimentarius, órgão ligado à Organização
Mundial da Saúde (OMS), já fundamentou a proibição de alguns corantes por ministérios
da saúde de todo o mundo, inclusive o brasileiro. Foram proibidos, por exemplo, o amarelo
sólido, até então muito empregado em gelatinas; o laranja GGN, usado em pós para
sorvetes; o vermelho sólido, para recheios e revestimentos de biscoitos; o azul de alizarina,
8
corante em óleos emulsionados e gelatinas; e o escarlate GN, com uso em recheios de
confeitarias (FARIA E COSTA, 1998).
No momento, a legislação brasileira, atualizada com boa parte das leis
internacionais e seguindo as recomendações multilaterais da FAO (Food and Agriculture
Organization), permite apenas oito sintéticos e mais cinco sintéticos idênticos aos naturais.
A permissão é condicionada à indicação nos rótulos sobre a sua condição sintética e sobre
a ingestão diária aceitável.
O fato destes corantes sintéticos serem permitidos, porém, não anula seus efeitos
adversos, que embora não sejam divulgados na embalagem estão disponíveis em artigos
científicos. Pode ser citado como exemplo a eritrosina, corante sintético vermelho, que
consta como causadora de hipertireoidismo quando consumida em excesso. Também o
vermelho Ponceau pode causar anemia e uma doença renal (glomerulonefrite), enquanto o
amarelo tartrazina recentemente foi associado como causa de insônia em crianças
(TEIXEIRA, 1969).
Como resposta aos riscos e tirando o proveito da crescente má fama dos
sintéticos, os corantes naturais ganham espaço. Trata-se de uma conquista gradual, não
maior por causa das vantagens competitivas dos sintéticos. Além da estabilidade bastante
superior aos naturais, esses corantes artificiais possuem maior capacidade tintorial,
traduzida por um poder de melhor fixação nos alimentos, com cores mais intensas e menor
custo, tanto por necessitar de dosagens menores como por seu preço direto inferior.
Mas foi justamente para diminuir essa diferença na disputa que os interessados na
comercialização dos aditivos naturais procuraram, em conjunto com alguns clientes,
melhorar o desempenho dos corantes naturais. As iniciativas tomaram as mais variadas
formas, desde as tecnológicas, até as de garantia de fornecimento constante de matérias-
primas, no passado muito sujeitas à sazonalidade da atividade agrícola.
Os desenvolvimentos englobaram as principais famílias cromáticas dos corantes
naturais: o amarelo (curcumina, luteína, carotena); a laranja (urucum e páprica); o
vermelho (carmim, licopena, betanina e antociana) e o verde (clorofila). De forma
específica, prevaleceram nos cinco corantes naturais considerados de maior importância no
mercado mundial: o urucum, a páprica, a cúrcuma, as antocianinas e o carmim de
cochonilha (FARIA E COSTA, 1998).
9
O movimento de adesão ao uso de corantes naturais, embora não ocorra na
velocidade esperada pelos fornecedores, justifica um crescimento médio anual no consumo
entre 5% e 9%. De forma geral, além das aplicações já tradicionais e antigas dos corantes,
como por exemplo, o urucum e o carmim em embutidos e salsichas, novos usos surgem,
motivados por desenvolvimentos dos próprios clientes e para os quais é possível agregar
valor um pouco maior oriundo dos ingredientes naturais.
Muitos dos aditivos naturais possuem também características funcionais e não só
estéticas. Os carotenos naturais, como os extraídos de cenouras e palma, são agentes
antioxidantes, assim como as antocianinas. A luteína evita a chamada mácula da retina dos
olhos e o licopeno, caroteno presente em produtos de tomate, previne o desenvolvimento
de arteriosclerose e doenças coronárias
e pode reduzir o risco de câncer de próstata.
Segundo pesquisa da Universidade Federal de Viçosa, em Minas Gerais, o urucum tem
demonstrado eficácia no combate a diabetes e colesterol alto. Mais um ponto a favor dos
corantes naturais na disputa com os sintéticos (FARIA e COSTA, 1998).
2.1.3 - Legislação No Brasil
Considera-se corante a substância ou a mistura de substâncias que possuem a
propriedade de conferir ou intensificar a coloração de alimento e bebida. Excluem-se desta
definição, os sucos ou extratos de vegetais e outros ingredientes utilizados na elaboração
de alimentos e bebidas que possuem coloração própria, salvo se adicionados apenas com a
finalidade de conferir ou intensificar a coloração própria do produto.
De acordo com a resolução n° 44/77 da Comissão Nacional de Normas e Padrões
para Alimentos (CNNPA), do Ministério da Saúde, os corantes permitidos para uso em
alimentos e bebidas são classificados da seguinte forma:
Corante orgânico natural: é aquele obtido a partir de vegetal ou, eventualmente, de
animal, cujo principio do corante tenha sido isolado com emprego de processos
tecnológicos adequados, que evitem a sua contaminação com outros produtos
químicos.
Corante orgânico artificial: é aquele obtido por síntese orgânica e não encontrado em
produtos naturais.
10
Corante sintético idêntico natural: é o corante cuja estrutura química é semelhante a
do principio isolado do corante orgânico natural.
Corante inorgânico ou pigmento: é aquele obtido a partir de substancias minerais e
submetido a processos de elaboração e purificação adequados ao seu emprego em
alimentos.
Caramelo: o corante natural obtido pelo aquecimento de açúcares a temperaturas
superiores aos dos pontos de fusão.
As razões consideradas como tecnicamente válidas para o uso de corantes
(GAVA, 1998), são as seguintes:
Restabelecer o aspecto inicial dos gêneros alimentícios cuja cor foi alterada pelos
processos de transformação, estocagem, embalagem e/ou distribuição e cujo aspecto
visual encontra-se prejudicado.
Dar aparência mais atrativa.
Dar uma cor a alguns gêneros alimentícios que sem eles, não teria nenhuma.
Manter e reforçar a cor dos alimentos durante armazenamento.
Padronizar a cor dos alimentos, evitando a sua variação. Porem não deve ser utilizado
para induzir o consumidor ao erro, engano ou confusão.
Segundo a legislação vigente, em produtos que contenham corantes estes devem
estar descritos em seu rótulo a classe do aditivo (corante) e o nome por extenso. Além
disso, os corantes artificiais devem apresentar no rótulo a indicação "colorido
artificialmente".
Atualmente, a consciência e a preocupação sobre a "segurança" dos corantes em
alimentos têm direcionado o interesse dos pesquisadores e das indústrias para a
identificação e uso dos corantes orgânicos (AGARWAL et al., 1994).
Os corantes naturais podem ser derivados de plantas, animais (podendo-se citar o
exemplo da cochonilha que é obtida a partir de corpos dessecados de insetos e da
hemoglobina do sangue animal), ou mesmo minérios (tal com o óxido de titânio, TiO
2
) .A
grande maioria é derivada de extratos de plantas; estes, entretanto, apresentam algumas
desvantagens: instabilidade quando expostos à luz e ao calor, insolubilidade em água, a
11
falta de fornecedores, reatividade com outros componentes da comida, e presença de
aromas ou odores indesejado (OLIVEIRA, 2005).
2.1.4 - O Urucum
Dentre os corantes naturais, o Urucum (Bixa orellana) tem maior importância
econômico-social, visto que de suas sementes podem ser obtidos corantes naturais de
diversas tonalidades, que vão do amarelo ao castanho, passando pelo vermelho.
Destaca-se também dentre os demais pigmentos naturais utilizados, por sua maior
estabilidade e coloração atrativa.
Quando os conquistadores espanhóis chegaram ao Novo Mundo conheceram
muitas plantas cujos extratos eram empregados pelos Maias e Aztecas. Uma destas plantas,
o urucum, existente ao longo da América tropical era usado como extrato para tingir
tecidos e pintar o corpo, além de ser utilizada junto à vanilina na formulação de uma
bebida a base de cacau. O nome científico do urucum, Bixa orellana foi dado por
Francisco Orellana, após uma expedição na região na Amazônica Setentrional (CORRÊA,
1978). A planta, da família das Bixaceae, recebe diferentes denominações populares ao
redor do mundo: Urucu, urucum (Brasil), atole, achiote e bija (Peru, Colômbia e Cuba),
achiote, bija, onoto (Venezuela), urukú (Paraguai), rocou e rocoyer (República Dominicana
e Guiana francesa), rocuyer (França), changuaricá, pumacuá e K‘u-zub, (México). Outras
denominações encontradas na literatura são: uñañé, eroyá, chagerica, orelana, ranota,
annatto (BALIANE, 1982).
O urucum é o único corante natural que tem sua origem em solo brasileiro.
Atualmente, cerca de 70% da produção brasileira é cultivada, com utilização de técnicas de
manejo e tratos culturais adequados e beneficiamento em máquinas. O outra parcela da
produção ainda é silvestre ou utiliza métodos tradicionais de manejo (CARVALHO, 1990).
A planta do urucum é um arbusto com altura entre 2,0 a 4,0 m, podendo atingir
até 6,0 m dependendo das condições de clima e idade da planta. Cresce em altitudes de até
1000m, contudo, desenvolve-se melhor em zonas relativamente baixas, de 100 a 500m,
suportando temperaturas de 24 a 35º
C. O urucuzeiro (ver Figura 2.1) é uma planta perene,
não sendo muito exigente quanto a solos, clima e tratos culturais e sobrevive em locais
onde a pluviosidade varia entre 800 a 2000 mm anuais. Oriundo da América Tropical
12
acredita-se que tenha sido uma das primeiras plantas “domesticadas” pelos índios da
região, provavelmente para fins cerimoniais, a partir da Bixa excelsa, árvore silvestre da
família das Bixáceae (GOMES, 1967).
Figura 2.1: Vista parcial de uma planta de Urucuzeiro.
Os frutos do urucuzeiro (ver Figura 2.2) são do tipo cápsula ou cachopa, ovóide
ou globosa, com 2 a 3 carpelos que variam de 3 a 4 cm de comprimento e 3 a 5 cm de
diâmetro. Externamente, são revestidos por espinhos moles e possuem coloração variável
entre o verde, vermelho-pálido e roxo. No seu interior são encontradas em média 40
sementes, grosseiramente arredondadas, revestidas por uma polpa mole de coloração
avermelhada, as quais tornam-se secas, duras e de coloração escura com o
amadurecimento; apresentam comprimento e diâmetro médios de 0,3 e 0,55 cm,
respectivamente (BOREM, 1997).
Figura 2.2: (a) Floração e frutificação de Urucuzeiro, (b) Frutos (cachopas) de Urucuzeiro,
(c) Sementes de Urucuzeiro, (d) Sementes em maturação plena.
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A identificação dos tipos ou variedades dos urucuzeiros é feita pelas cápsulas.
Elas podem ter dois, três ou mesmo quatro carpelos; forma ovóide, alongada, bico de
calango, bico de pato ou achatada; com pouco, médio ou muito pêlos; coloração verde,
vermelha, amarela, carmim e verde-amarelada, além de outros matizes (CORRÊA, 1978).
A coloração das sementes varia desde o vermelho intenso (maior teor de corante) até
róseo-claro (menor teor de corante).
A fenologia do urucuzeiro durante o ciclo vegetativo é, excepcionalmente,
caracterizada por ser uma planta que floresce, frutifica e matura durante praticamente, todo
o ano. Em condições normais de clima, a primeira floração é mais intensa entre os meses
de fevereiro/março, cuja colheita principal ocorre de junho e julho. A segunda floração
ocorre nos meses de julho e agosto com colheita em novembro e dezembro, sendo ambas
as colheitas executadas de modo rudimentar, mediante a quebra dos cachos (panículas) não
havendo, portanto, o emprego da tesoura de poda.
Nas condições do nordeste e do centro sul do Brasil, a colheita do urucuzeiro é
realizada aproximadamente aos 130 dias após a abertura da flor, quando se obtém ¾ das
cápsulas secas. No Norte, esse período é reduzido para 60 a 80 dias. A maturação das
cápsulas é dada pela mudança de cor quando passa do verde, amarelo ou vermelho para
castanho ou marrom (OLIVEIRA, 1990).
As práticas de pós-colheita apresentam expressiva importância no processo
agroindustrial do urucuzeiro devido à influência direta na qualidade do produto final. A
pós-colheita tem início no momento seguinte à colheita propriamente dita, sendo
constituída das seguintes etapas: recolhimento dos frutos no campo, pré-secagem dos
frutos, descachopamento, peneiramento, secagem das sementes ensacamento, classificação
e comercialização (FALESI, 1987).
O recolhimento dos frutos no campo é uma tarefa que tem estreita relação com a
quantidade do produto colhido, com o clima, da localidade na época e, essencialmente,
com exigência do comprador. Dependendo do nível técnico do produtor, os frutos colhidos
podem permanecer por um curto período de dias nas entrelinhas das plantas, isto
dependendo das condições pluviais locais. Outra opção é colher direto em balaios ou sacos
e armazená-los em local adequado.
14
A pré-secagem dos frutos consiste no recolhimento dos frutos sobre lonas, em
terreiros ou em secadores de alvenaria. Em algumas regiões do país, os frutos são secados
em secadores solares, bem como em secadores artificiais. A redução da umidade dos frutos
(cachopas) e das sementes, sem perda de qualidade do produto, tem como objetivo
principal para facilitar o descachopamento.
O descachopamento pode ser efetuado pelos métodos manual e mecânico.
Normalmente, quando se procede ao descachopamento manual, as perdas de bixina são
significativas, pela maneira incorreta de se utilizar a vara no batimento às sementes. A
perda de bixina é diretamente proporcional ao teor de umidade das sementes. O método
mecânico, apesar de apresentar perdas de bixina de 1,5 a 2,0%, é o mais indicado.
O peneiramento do material colhido pode ser feito tanto de forma manual como
mecânica. O método manual é realizado após a bateção dos frutos, enquanto que o
mecânico é feito após a descachopagem em máquinas. Um fator importante a considerar é
que pelo atrito, perde-se bixina nesta operação, devido ao maior teor de umidade das
sementes ou regulagem do equipamento podem haver perdas de qualidade de sementes.
Há dois métodos utilizados para a operação da secagem (veja Figura 2.3). O
natural no qual as sementes são colocadas em terreiros ou sobre lonas ao sol e o método
artificial cuja perda de umidade ocorre em secadores com calor e ventilação forçadas. No
processo de secagem, recomenda-se mexer as sementes o mínimo possível, visando evitar
perdas significativas da qualidade das mesmas pela sua exposição ao calor (sol e
oxidação). A perda por atrito é função da falta de controle no carregamento e no
descarregamento das sementes, no local da secagem.
Figura 2.3: (a) Secador natural para sementes de Urucuzeiro, (b) Secador artificial para
sementes de Urucuzeiro.
15
O processo de ensacamento deve ser procedido em saco de polipropileno de 50
kg devidamente limpo ou em outro tipo de recipiente, conforme as exigências pré-
estabelecidas pelo comprador.
O consumo de urucum tem aumentado muito nas últimas décadas. Excluídas as
demandas internas, o comércio internacional médio anual de urucum é estimado em cerca
de 10000 toneladas, sendo dois terços desta produção na forma de semente bruta e o
restante como extrato. A América Latina produz 60 % de todo o urucum consumido no
mundo, seguido pela África com 27% e a Ásia 12%. Os preços da semente dependendo da
produção e da variedade oscilaram de US$ 2000 a US$660 por tonelada entre 1985 a 1995.
Estes preços também são proporcionais ao conteúdo de bixina, o qual em alguns casos
deve ser maior que 2,7 % (MELO, 2000). Só o Peru, maior produtor mundial, exportou em
1990, cerca 2000 toneladas, equivalente à demanda mundial em 1970. Sua produção em
2000 subiu para 4482 toneladas. Outros grandes exportadores são a Bolívia, Brasil,
Equador, México, República Dominicana, Colômbia, Kenia, Sri Lanka, Senegal, Costa do
Marfim e Índia. Em menores quantidades também é produzido: na Nicarágua, Jamaica,
Paquistão, Malásia, Filipinas, Tanzânia e Angola.
MELO (2000) afirmou que havia uma expectativa do Brasil destacar-se no
cenário mundial como maior exportador de urucum. O urucuzeiro, cultivado por muitos
anos, é encontrado nos estados do Acre, Amazonas, Pará e também nos estados da Bahia,
Ceará, Paraíba e Piauí. Atualmente, outros estados, como Rio de Janeiro e São Paulo têm
se dedicado no cultivo deste vegetal. Contudo, apesar da expectativa, o produto brasileiro
apresenta, em sua maioria, teores reduzidos de bixina. Apesar de ser amplamente cultivado
existem poucas pesquisas, particularmente referentes ao melhoramento genético, que
levem ao aumento da produtividade por área de cultivo ou que conduza a uma maior
produção de sementes por fruto, como também a um aumento no teor de bixina das
sementes.
O urucum é importado em grande quantidade pelos Estados Unidos, maior
importador mundial, seguido pela Inglaterra, maior importador europeu, pela China,
França, Alemanha, Japão e Argentina. Destaca-se a Dinamarca no cenário mundial como o
maior processador do pigmento, (EMATER-PB, 2001).
16
O mercado do urucum no Brasil tem sofrido algumas importantes oscilações. Ora
são praticados preços elevados, ora os preços são baixos. Essas alterações no mercado
ocorrem em função da lei da oferta e procura. Quando ocorre escassez de matéria prima
(grãos de urucuzeiro), observa-se elevação de preços sempre seguidos por estímulos para
expansão da área cultivada. O contrário também é verdadeiro, preços baixos estimulam
abandono de algumas áreas cultivadas, ou pelo menos, uma acentuada redução nos tratos
culturais, levando a uma menor produtividade e, conseqüentemente, a uma menor oferta de
grãos (OLIVEIRA, 1990).
Nos anos de 1990, 1991 e 1992, os preços pagos aos produtores variaram de US$
0,70 a 1,00/kg de grãos. Na entressafra (novembro /93 a maio/94), elevaram-se a
patamares superiores a US$ 3,00/kg. Esses preços, certamente, foram os maiores
praticados na história da cultura. Vários fatores contribuíram para a significativa elevação
desses valores, podendo-se destacar a seca na região Nordeste do país, que afetou
drasticamente a produção da safrinha em fevereiro a abril de 1994 a escassez de grãos no
país fez com que algumas indústrias brasileiras importassem do Peru quantidades
significativas. Já nas safras de 1995, os grãos de urucum foram comercializados a preços
que variaram de US$ 1,00 a 1,80/kg de grãos. Essa variação ocorreu em função da época e
da região produtora. Em 1996 a 1998 os preços caíram vertiginosamente, chegando a
preços abaixo do custo de produção, em algumas zonas produtoras (BOREM, 1997).
A partir de 1999 os preços voltaram a subir pelo desestímulo de alguns
produtores que nos anos anteriores tiveram preços baixos e dificuldades na
comercialização. Alguns produtores abandonaram suas áreas ou dispensaram menores
investimentos no cultivo, afetando a produtividade. Esse aumento nos preços por
conseqüência da menor oferta do produto e, em parte, também pelo aumento do consumo
na indústria de corantes e agroindústria de colorau e colorífico, estimado em cerca de 5%
ao ano. Nas safras de 1999, 2000 e 2001 os preços voltaram a estimular os produtores
(EMATER-PB, 2001.).
Muitas indústrias que processam o urucum atuam no país, destacando-se
Christian Hansen, IFF, Firace, Quest, Baculerê Agroindustrial, Biocon, Kienast &
Kratschmer, Adicon, Liotécnica, Refinações de Milho Brasil (São Braz), Penina dentre
outras. Existem 35 indústrias produtoras de corantes no território brasileiro; desse total,
17
54,17% são produtoras de corantes naturais e 12,5% produzem corantes artificiais. Dentre
os corantes naturais, o urucum é o mais produzido e utilizado.
Nos últimos anos o potencial do mercado internacional do urucum teve um
grande impulso. Como o produto natural é substituto para corantes sintéticos, considerados
cancerígenos, a proibição ao uso destes aditivos nos Estados Unidos, Japão e alguns países
da Europa, fez com que o urucuzeiro ganhasse importância nas regiões produtoras
(LINGERFELT, 1984).
2.1.5 - O Corante Bixina
O corante presente no urucum em maior concentração é a bixina, que compreende
mais de 80% dos carotenóides totais, sendo o restante um pigmento ainda não
caracterizado, de cor amarela e com pequenas quantidades de substâncias cujas estruturas
estão relacionadas com a bixina, incluindo a norbixina. Sua concentração varia com o tipo
de cultivo, solo, clima tratos culturais e com as operações de pós-colheita, secagem e
beneficiamento.
A camada que recobre a semente de urucum representa cerca de 6% do peso total
da semente; dos quais pouco mais de 2% do peso da mesma é devido à bixina
(CARVALHO, 1990), podendo chegar no máximo a 4,5 % em massa, nas sementes de boa
procedência.
A bixina foi citada pela primeira vez em 1825 por Boussingault. Sua cristalização
foi obtida com sucesso em 1878 por Etti. A análise elementar e determinação de sua
fórmula empírica foram realizadas em 1917 por Heiduschka e Panzer e em 1928–1933
Kuhn e colaboradores propuseram a fórmula estrutural a qual foi confirmada
posteriormente por Karrer e colaboradores através da síntese total da per-hidronorbixina
(FARIA, 1998). Segundo Carvalho (1990), a bixina foi o primeiro cis-carotenóide isolado
a partir de fontes naturais.
A coloração vermelha da semente está diretamente relacionada ao percentual de
bixina. Quanto maior a concentração de norbixina, maior a tendência para o vermelho.
Tanto as sementes, quanto os extratos processados são comercializados com base no teor
de bixina ou norbixina. As sementes da Jamaica, por exemplo, apresentam teores
normalmente mais elevados de bixina, 3% em média, contra menos de 2% daquelas
18
produzidas na Índia. As sementes provenientes do Caribe são intensamente vermelhas, o
que eleva o seu valor no mercado. A composição do extrato varia segundo o método
empregado no processo de extração e concentração, visto que a bixina isomeriza com o
calor, aumentando o percentual de trans-bixina, como também, é hidrolisa em meio
alcalino, perdendo uma molécula de metanol e produzindo a norbixina, pigmento de cor
laranja intensa.
A cis-bixina (monometiléster do diácido carboxílico, norbixina) é o constituinte
que ocorre em maior concentração no arilo da semente do urucum (Bixa orellana L.),
representando cerca de 80% da bixina presente. Nos extratos em condições normais
predominam os isômeros cis-bixina ou cis-norbixina, mais instável. A cis-bixina ou cis-
norbixina em solução sob aquecimento são parcialmente transformadas para a
configuração trans, mais estável, conhecidas como isobixina e isonorbixina. (FARIA,
1998).
Na Figura 2.4 são apresentadas as estruturas moleculares da cis e trans bixina e da
cis e trans norbixina.
Figura 2.4: Estrutura dos carotenóides bixina e norbixina, cis e trans (Fonte: Oliveira,
2005).
O maior segmento consumidor dos corantes extraídos do urucum é a indústria de
derivados lácteos, sendo empregado para colorir queijos, manteigas, iogurtes e margarinas.
Tem aplicação também em produtos derivados de carne como: salsichas, salames e
19
defumados; derivados de pescados; molhos de salada; cereais matinais, caramelos,
sorvetes, como também em achocolatados, refrigerantes e licores (REVISTA ADITIVOS
INGREDIENTES, 2000).
Em cosmética, o pigmento encontra aplicação na formulação de bronzeadores, na
forma de extrato oleoso; produtos de maquilagem como batons e pós-faciais; em produtos
para cabelos como tinturas e xampus, como também em sabonetes. Na indústria têxtil é
empregado para tingir algodão, lã e especialmente a seda, conferindo a esta um efeito
especial difuso, amarelo-laranja. Também é empregado como pigmento na indústria de
couro bem como na fabricação de tintas e vernizes, graxas para sapato e ceras para pisos
(CARVALHO, 1990).
Algumas aplicações do corante na indústria alimentícia estão sumarizadas nas
Tabelas 2.1 e 2.2.
Tabela 2.1: Usos de corantes de urucum em alimentos.
Princípio Ativo
Apresentação Principais Aplicações
0,35 - 1,12%
Norbixina
Líquido hidrossolúvel
Salsichas, queijos, iogurtes, sorvetes,
extrusados.
0,23% Bixina
Líquido oleossolúvel
(solução)
Manteigas, extrusados, recheios de
biscoitos.
3,0 a 10% Bixina
Líquido oleossolúvel
(suspensão)
Margarinas, coloríficos, extrusados.
1,0% Norbixina
Pó hidrossolúvel
(maltodextrina)
Sobremesas em pó, bebidas lácteas
em pó, produtos de panificação.
20% Bixina Pó microemcapsulado
Bebidas, misturas em pó, confeitos,
extrusados.
Fonte: CHR Hansen Ind. E Com. Ltda. Valinhos - SP.
20
Tabela 2.2: Usos do Extrato de urucum em alimentos.
Extrato Forma Pigmento
Concentração*
Tonalidade
de cor
Aplicações
Líquido
Bixina Baixa Amarelo
Massas, recheios e
cobert
uras de doces e
molhos.
Líquido
Bixina Baixa
Amarelo-
alaranjado
Margarinas, cremes
vegetais, queijos
recheios e coberturas.
Lipossolúvel
Líquido
Bixina Alta
Laranja-
avermelhado
Sopas, molhos
temperos e
coloríficos.
Líquido
Norbixina
Baixa
Amarelo-
alaranjado
Massas, sorvetes,
bebidas, iogurtes e
queijos.
Líquido
Norbixina
Moderada Laranja
Margarinas, cremes
vegetais, queijos,
bebidas e sorvetes.
Solúveis em
água e
emulsões
Líquido
Norbixina
Baixa
Amarelo
claro
Massas, sorvetes,
bebidas, iogurtes e
doces.
Líquido
Norbixina
Moderada
Laranja-
amarelado
Salsichas e
embutidos, cereais,
biscoitos e queijos.
Líquido
Norbixina
Alta Laranja
Iogurtes, sorvetes,
bebidas, doces,
misturas para bolos.
Pó Norbixina
Alta Laranja
Massas, sopas e
temperos.
Hidrossolúvel
Pó Norbixina
Alta Laranja
Sorvetes, misturas
secas e cereais.
Pó Bixina Baixa Laranja Uso doméstico.
Colorífico
Pó Bixina Moderada
Laranja-
avermelhado
Temperos e sopas.
Fonte: Liotécnica Indústria e Comércio Ltda. São Paulo - SP
* Baixa: 0,1% a 0,5%; Moderada: 0,6% a 2,4%; Alta: 2,5% a 6,0%
21
Encontram-se na literatura informações relacionadas ao emprego do urucum na
medicina, como composto adstringente, bactericida, como poderoso agente antioxidante,
eficaz no combate aos radicais livres, ou ainda para controle de taxas de colesterol e
redução dos níveis de triglicerídios no sangue (OLIVEIRA, 2005).
Estudos homeopáticos indicam que o urucum pode ser usado o tratamento de
cardite e endocardite. Outras qualidades medicinais atribuídas referem-se ao emprego no
tratamento de hemorragias, dispepsias e queimaduras da pele (RAMALHO, 1987).
Várias são as propriedades atribuídas ao urucum que são exploradas pela
medicina tradicional, das quais são mencionadas serem efetivas contra diarréia, amidalite,
no tratamento de doenças peitorais, também como estimulante, diurético, febrífugo,
expectorante, cicatrizante, afrodisíaco e laxante (RAMALHO, 1987).
2.1.6 - Tecnologias de Obtenção de Corantes do Urucum
Economicamente é aconselhável a exportação de produtos industrializados ao
invés da matéria-prima ïn natura (sementes). São muitas as vantagens econômicas na
comercialização do corante processado ou semi-processado, principalmente na forma de
pó, como facilidade de manuseio, transporte, estocagem e versatilidade de produtos em que
pode ser aplicável, como em alimentos líquidos ou em pó e em produtos que requerem
maior concentração do pigmento.
Como mencionado anteriormente, o uso de corantes naturais é uma tendência
atual que dificilmente será revertida. Mas a sua tecnificação ainda necessita de pesquisas
para que se possa atender às exigências em qualidade e quantidade dos mercados interno e
externo. Portanto, o incremento de tecnologias de processamento mais eficazes poderá
contribuir significativamente para a qualidade do produto final (corante), bem como para o
uso mais racional da matéria-prima (sementes).
Ao mesmo tempo, o desenvolvimento de tecnologias apropriadas para a extração
dos pigmentos do urucum terá, seguramente, reflexos socioeconômicos nas regiões onde se
pode produzir semente com teores de bixina em níveis bem mais elevados.
As características finais do pigmento dependem não só das condições de
conservação dos produtos, mas principalmente do processo de extração, o que reflete na
22
qualidade final do produto. Desta forma muitos países importam as sementes in natura.
Tendo em vista que o mercado importador exige um percentual mínimo de 2,5 % de
bixina, a existência de variedades cultivadas com somente 1,6 a 2,1 % de bixina leva
muitos países a mudarem sua estratégia de mercado (RAMALHO, 1987). A Índia, por
exemplo, ampliou a exportação de pigmento processado de forma a aumentar o valor
agregado (CARVALHO, 1990).
As populações nativas tradicionalmente extraem os pigmentos por meio da
maceração dos grãos em água, tendo como resultado uma massa corante. Esse processo
artesanal predomina até hoje em algumas comunidades indígenas. A massa corante
comercializada envolta em folhas de bananeira; a imersão dos grãos, triturados ou não, é
realizada em água quente, seguida de evaporação.
O fato do pigmento corante estar localizado na superfície das sementes, facilita o
processo de extração ao permitir que se opere com os grãos inteiros, sem necessidade de
trituração, o que favorece as etapas posteriores do processo em que é feita a separação
entre grãos e extratos.
PRESTON e RICKARD (1980) descreveram os principais métodos de extração;
a extração em óleo, a extração em solventes orgânicos e a extração em meio aquoso
alcalino, como também variantes destes processos. Em um dos processos as sementes são
tratadas com solução alcalina, a frio ou a sob leve aquecimento. Soluções alcalinas como
hidróxido de sódio ou de potássio transformam a bixina em um sal, que, nesta forma, é
comercializado. Isso permite a utilização em alimentos contendo baixos teores de óleo,
ampliando o espectro da utilização dos corantes de urucum. A solução alcalina obtida
contendo o corante solúvel é acidificada o que leva a precipitação de um pigmento rico em
norbixina. Desta forma é obtido um concentrado vermelho com elevado teor daquele
componente.
A extração com solventes orgânicos é também uma alternativa para a obtenção de
produto com elevada concentração bixina. Destacam-se entre os solventes empregados a
acetona, o álcool etílico, o propilenoglicol e também o clorofórmio. Este processo, apesar
de conduzir a um produto com elevado rendimento, apresenta alguns problemas, devido ao
elevado custo para recuperação dos solventes, e à possibilidade de deixar resíduos tóxicos
que pode inviabilizar seu emprego como corantes para alimentos.
23
Extrações com fluido supercrítico, particularmente empregando o dióxido de
carbono são reportadas na literatura, contudo esta técnica extrativa continua restrita a
escala laboratorial.
Algumas tecnologias existentes para a produção de corantes de urucum estão
sumarizadas na Tabela 2.3 .
Tabela 2.3: Processos de extração de corante de urucum.
Processo Descrição Produto obtido
Recristalização
Extração mecânica a quente.
Centrifugação do pigmento após
filtragem.
Secagem e recristalização com ácido
acético.
Bixina
cristalizada
Químico Extração direta com óleos vegetais.
Bixina
lipossolúvel
Químico
Extração exaustiva com solvente:
acetona e álcool etílico.
Pigmentos
totais
Químico Extração com carbonato de sódio.
Pigmentos
totais
Químico
Extração com hidróxido de sódio ou
potássio.
Norbixinato de
sódio ou
potássio
Físico
Lixiviação das sementes com água e
agitação, a 60ºC.
Centrifugação da suspensão obtida.
Secagem da pasta.
Pigmentos
totais
Químico
Extração com fluidos pressurizados
(CO
2
supercrítico)
Bixina
Além dos processos de extração por solvente, a bixina também pode ser extraída
por processos puramente mecânicos que consistem, gealmente, de técnicas físicas simples
que promovem a raspagem entre os grãos visando a separação de sua camada externa que
contém o corante, o qual é obtido na forma predominante de bixina.
24
Processos alternativos, como operações mecânicas envolvendo moinhos de bolas
ou leito de jorro, nos quais as sementes de urucum sofrem atrição e impacto umas com as
outras conduzem a um pigmento em forma de pó ultrafino são também estudados.
ALVES (2001) estudou a extração de bixina das sementes de urucum
empregando moinho de bolas. Observou que o aumento de duas para quatro horas no
tempo de processo, aumentou o rendimento de extração de em 14,83 % e que a fração
granulométrica de 100 a 250 mesh apresentava os maiores teores de bixina.
Alguns autores (TAVARES et al. 1999; MASSARANI et al. 1992; PASSOS et
al. 1998; dentre outros) estudaram a extração mecânica da bixina em leito de jorro
encontrando resultados promissores, mostrando que esta técnica pode ser interessante
principalmente para o pequeno e médio produtor rural, pois o equipamento é barato, de
operação simples e também apresenta baixos custos de manutenção.
2.2 - O Leito de Jorro
A extração mecânica da bixina em leito de jorro pode ser uma alternativa viável
para obtenção do corante. Esta técnica tem algumas vantagens sobre a extração por
solventes, que pode apresentar algumas limitações devido ao elevado custo para
recuperação dos solventes e a possibilidade de deixar resíduos tóxicos que pode
inviabilizar seu emprego como corantes para alimentos.
Sendo assim, nos tópicos a seguir será apresentado um histórico, com
características importantes deste equipamento, bem como uma breve revisão sobre a
fluidodinâmica do escoamento fluido-partícula.
2.2.1 - Histórico e Características
O leito de jorro é um equipamento que promove o contato sólido-fluido,
inventado em 1955 por Mathur e Gishler, quando trabalhavam na otimização de um
secador de leito fluidizado para grãos de trigo. Este equipamento foi empregado
inicialmente na secagem de materiais granulados termos sensíveis, com diâmetros de
partículas maiores que 1 mm e atualmente é utilizado em outros processos que requerem
um contato eficiente entre as partículas e o fluido, como por exemplo, a secagem de pastas
25
e suspensões (PASSOS et al., 1998). Ele foi originalmente concebido e considerado como
uma versão modificada do leito fluidizado. Entretanto esta visão foi descartada uma vez
que estudos posteriores demonstraram que o leito de jorro apresenta características
especiais, sendo a principal delas a execução de operações cíclicas em partículas sólidas
que não poderiam se realizadas em um leito fluidizado devido ao movimento randômico de
partículas em seu interior durante sua operação.
O leito de jorro é formado por um vaso, aberto no topo, no qual são colocadas
partículas sólidas. Possui uma pequena abertura centralizada em sua base através da qual a
injeção do fluido ocorre. Se a taxa de injeção de fluido for alta o bastante, uma corrente de
partículas começa a se mover verticalmente acompanhando o escoamento do fluido através
de uma cavidade formada no centro do leito de sólidos denominada jorro. O jorro,
desenvolvido na parte central do leito de partículas, é uma região de baixa concentração de
sólidos. Nesta região, as partículas são arrastadas pelo fluído, ascendendo rapidamente até
atingirem o topo do leito. As partículas então invertem o sentido do seu movimento, caindo
em forma de fonte na região anular, que fica entre a cavidade por onde o fluido e as
partículas sólidas estão ascendendo e a parede da coluna que constitui o leito. Esta região
caracteriza-se por uma alta concentração de sólidos, comportando-se como um leito
deslizante. Desta forma as partículas movimentam-se lenta e descendentemente, em
contracorrente com o fluido, até retornarem ao jorro.
O leito de jorro (Figura 2.5) pode então ser divido em duas fases distintas; uma de
baixa concentração onde os sólidos possuem movimento ascendente (região de jorro),
acompanhando o fluxo do fluido, e uma de baixa porosidade, localizada na região anular
onde as partículas apresentam movimento contracorrente ao fluido (região anular).
Figura 2.5: Representação do leito de jorro cilíndrico (LOURENÇO, 2006).
26
2.2.2 - Tipos de leito de jorro
Na literatura são encontradas diversas alterações do modelo convencional do
leito de jorro, dentre as quais destacam-se:
Leito de jorro cônico: Constituído apenas por uma base cônica, esse leito tem como
principal vantagem a maior carga, ou seja, para uma mesma altura do leito é possível
alimentar uma carga inicial maior do que aquela comparada com um leito
convencional, no qual o ângulo da base tronco-cônica é igual ao ângulo do leito
cônico (LOURENÇO, 2006).
Leito de jorro aerado: A porção cônica do leito recebe uma vazão de ar auxiliar,
promovendo um aumento da porosidade nesta região, melhorando com isso as taxas
de transferência de calor e massa (CONCEIÇÃO FILHO,1997).
Leito de seção retangular: Leito composto de um prisma retangular com uma base de
tronco pirâmide, muito utilizado para o estudo da influência do ângulo da base como
uma das variáveis de processo de recobrimento (CONCEIÇÃO FILHO,1997).
Leito vibro-jorrado: A movimentação das partículas é aumentada pela agitação
oriunda de um sistema de vibração localizado na base do leito (CONCEIÇÃO
FILHO,1997).
Leito de jorro com tubo interno (LOURENÇO, 2006): A interação em leito de jorro
foi provado ser um método eficaz de contato gás-sólido.Contudo, ela possui uma
desvantagem se as partículas puderem passar da região anular para a região de jorro
em qualquer nível do leito, resultando assim em um comportamento randômico
dessas partículas. A inserção axial de um tubo draft não-poroso, no leito de jorro
convencional apresenta vantagens relacionadas à estabilidade e flexibilidade na
operação; mas possui limitações em operações onde o gás é o agente principal da
operação, tal como na secagem e meios reacionais. O motivo desta limitação é o fato
de o tubo não-poroso impedir a percolação do gás do jorro para a região anular. Isso
poderia reduzir a taxa de contato gás-sólido e o coeficiente de transferência de calor
tanto no jorro quanto na região anular. Um tubo draft poroso pode ser usado para
reduzir esse problema, provendo um meio de controle do movimento das partículas e
um bom contato gás-sólido na operação (ISHIKURA et al, 2002). A Figura 2.7
mostra as três configurações.
27
Figura 2.6: Diagramas esquemáticos do leito de jorro convencional e dos leitos com o tubo
draft poroso e não poroso (ISHIKURA et al, 2002).
2.2.3 - Fluidodinâmica do Leito de jorro
O jorro, que é um fenômeno visualmente observável, ocorre em uma faixa
definida de velocidades do gás. Para uma dada combinação de gás, sólidos e configuração
de vaso, existe uma altura máxima do leito H
m
, acima da qual o jorro não ocorre, sendo
substituído por uma fluidização de baixa qualidade.
O mecanismo de transição de um leito estático para o estado de jorro pode ser
descrito a partir de um gráfico de queda de pressão do leito versus velocidade superficial
do fluido (Figura 2.7). A seguinte seqüência de eventos é observada à medida que a vazão
de gás é aumentada (MATHUR e EPSTEIN, 1974):
A baixas vazões o gás simplesmente atravessa o leito, percolando pelos espaços
vazios em seu interior, sem perturbar o arranjo de partículas. A queda de pressão
aumenta linearmente com o acréscimo da vazão, segmento A-B da Figura 2.7, como
no caso de um leito estático.
Em uma vazão característica, a velocidade do fluido se torna alta o suficiente para
empurrar as partículas que se encontram nas proximidades do bocal de injeção,
formando uma cavidade no leito acima do bocal. As partículas que se encontram ao
redor dessa cavidade são comprimidas contra o material acima, formando um arco
compacto que oferece uma menor resistência ao fluxo. A queda de pressão no leito
28
continua a crescer com o aumento da vazão do fluido, mas deixa de apresentar o
comportamento linear, segmento B-C da Figura 2.7.
Com um acréscimo na vazão do fluido, a cavidade se alonga iniciando a formação de
um jorro em seu interior. O arco de sólidos compactados localizados acima desse
jorro faz com que a queda de pressão no leito aumente ainda mais e atinja seu valor
critico; ponto C da Figura 2.7.
Um novo aumento da vazão além deste ponto alonga ainda mais o orifício formado
pelo jorro interno em comparação com os sólidos compactados acima dessa região.
O jorro interno passa a oferecer uma menor resistência ao escoamento do fluido no
interior da coluna e a queda de pressão no leito passa a cair a medida que a vazão de
entrada do fluído é aumentada; segmento C-D da Figura 2.7.
No ponto D, denominado jorro incipiente, muitas partículas são deslocadas do núcleo
central causando uma expansão considerável no leito, podendo ocorrer oscilações
acentuadas de pressão nesta região da curva, devido ao surgimento ocasional do jorro
no topo do leito.
Com apenas um pequeno acréscimo na vazão além do ponto D, o jorro interno rompe
a superfície do leito. Quando isso ocorre, a concentração de sólidos na região
diretamente acima do jorro interno decresce abruptamente, causando uma drástica
redução na queda de pressão para o ponto D’, no qual o leito todo se torna móvel e o
jorro continuo é estabelecido.
A partir desse ponto, um novo aumento da vazão do fluido não acarreta mudanças na
queda de pressão, uma vez que a quantidade adicional de fluido injetado na coluna
tem seu caminho de escoamento na região de jorro, onde é oferecida a menor
resistência ao escoamento. A fonte se desenvolve e a circulação de partículas é
uniforme, caracterizando o regime de jorro estável.
Como a condição experimental característica do jorro depende do estado inicial
de compactação do leito, o valor da vazão de jorro mínimo (Q
jm
) é obtido nesta curva de
queda de pressão pelo decréscimo gradual de vazão do fluido até o ponto de colapso do
jorro. A vazão de mínimo jorro é definida como a vazão mínima do fluido capaz de romper
a estrutura do leito de partículas na região central e formar o jorro, a uma pressão
considerada constante. Esta pressão constante no interior do leito é definida como a queda
29
de pressão de jorro mínimo (∆P
jm
). Uma pequena redução da velocidade do gás nesta
condição causa o colapso do jorro e um aumento repentino na queda de pressão para o
ponto E. Com a diminuição da vazão a queda de pressão decresce continuamente ao longo
de E-A. Contudo, a curva principal agora se situa numa posição mais baixa que aquela que
representa o acréscimo de vazão uma vez que a energia requerida pelo jato de gás para
penetrar nos sólidos não é mais despendida durante o colapso do jorro.
Figura 2.7: Curva típica de queda de pressão em função da vazão de fluido (Curva
característica).
O conhecimento do comportamento dos sólidos no leito de jorro é de grande
interesse para o projeto deste equipamento, pois a trajetória dos sólidos deve satisfazer às
exigências do processo durante a operação. A modelagem do escoamento de sólidos é
realizada baseando-se em estudos experimentais sobre velocidade do sólido em diferentes
alturas do leito (OLAZAR et al 2001).
De acordo com ROY et al. (1994) as partículas na região de jorro movem-se
praticamente em plug flow e têm uma componente horizontal muito pequena e a
velocidade máxima é alcançada perto da base. Os perfis radiais do componente axial da
velocidade do gás na região de jorro são parabólicos e se achatam à medida que a
superfície do leito é atingida, GORSHTEIN e MUKHLENOV (1967).
30
No perfil radial observado por HE et al. (1994), a velocidade máxima do gás não
está localizada exatamente no eixo axial do jorro, mas a uma certa distância afastada dele,
diminuindo com o aumento da velocidade do gás. Este deslocamento, que é atribuído às
colisões das partículas no jorro, foi previsto por KRZYWANSKI, EPSTEIN e BOWEN
(1992).
O movimento das partículas na região anular é descrito por meio de uma
trajetória parabólica descendente em direção ao bocal de injeção de ar (MATHUR e
EPSTEIN, 1974). De acordo com EPSTEIN e GRACE (1984) as trajetórias são similares
àquelas para o gás subindo nesta região. ROY et al. (1994) observaram que o componente
horizontal da velocidade é insignificante na seção cilíndrica.
De acordo com diversos autores (MATHUR e GISHLER, 1955; THORLEY et
al., 1959; VAN VELZEN ETAL., 1974; BECKER, 1961; SUCIU e PATRASCU, 1978;
ROVERO, PICCININI, e LUPO, 1985) a componente vertical da velocidade descendente
na zona anular diminui linearmente a medida que as partículas aproximam-se do bocal de
injeção. VAN VELZEN et al. (1974) e posteriormente ROY et al. (1994) determinaram
que um valor mínimo da velocidade é alcançado enquanto as partículas aproximam-se da
seção cônica. Com a continuação da descida a velocidade aumenta em direção a base do
leito, como observado por ROVERO et al. (1985). Este aumento pode ser explicado pela
redução na seção transversal da região anular. ROY et o al. (1994) determinaram que a
diminuição na velocidade na coluna cilíndrica do leito não é linear mas é proporcional a
z
0,65
, o que pode ser atribuído a um aumento da porosidade com a altura na zona anular.
HE et al. (1992) observaram que a componente vertical da velocidade do sólido
no núcleo da fonte diminui com altura, sendo zero no topo da fonte.
Uma peculiaridade dos resultados de velocidade obtidos na fonte é a importância
da componente horizontal (LIM, 1975), que é devida ao fato de que parte do momento
vertical dos sólidos que entram na fonte é transformada em momento horizontal.
KUTLUOGLU et al. (1983) observaram que o componente horizontal da velocidade para
as partículas que saem do jorro está ao redor de 15% do componente vertical máximo no
eixo. A componente horizontal máxima corresponde às partículas que sobem ao longo da
superfície exterior do jorro. ROY et al. (1994) encontraram que perto do topo da fonte o
componente horizontal aumenta de zero no eixo para um valor máximo em uma posição
31
intermediária entre e eixo e a parede da coluna, mais próximo a parede do que do eixo, e
então diminui em direção a parede.
OLAZAR et al. (2001) estudaram o efeito das condições de operação e da
geometria na velocidade das partículas na região anular, fonte e jorro com a utilização de
uma sonda de fibra ótica. Seus resultados para as três regiões estão resumidos abaixo:
Região de jorro:
A componente vertical da partícula em toda a altura do leito decresce de um
valor máximo no eixo para zero na interface da região anular com o jorro e o perfil é
achatado perto da superfície do leito.
Perto da base do leito as componentes horizontais no eixo são nulas, aumentando
então seguindo um perfil parabólico para um valor máximo em uma posição radial
intermediária, entre o eixo e a interface jorro-anulo O valor máximo do componente
horizontal é mais elevado em níveis mais baixos do leito.
Perto da superfície do leito o componente horizontal de velocidade muda de
direção e as partículas se movem em direção à interface.
Região anular:
O componente vertical da velocidade das partículas aumenta inicialmente de zero
na interface para um valor máximo em uma dada posição radial e diminui a partir deste
ponto. O pico correspondente ao valor máximo de velocidade aparece em todas as
posições longitudinais do leito.
Os perfis radiais do componente horizontal da velocidade na região anular são da
mesma ordem de magnitude que aqueles que correspondem ao componente vertical. Os
maiores valores são encontrados na interface, na seção cônica do leito. Na seção cilíndrica
o componente horizontal diminui e quase na superfície leito o componente horizontal
tende a zero.
Fonte:
OLAZAR et al. (2001) estudaram a região de fonte, dividindo-a em duas regiões:
o núcleo (ascensão) e a periferia (queda das partículas). Seus resultados mostraram que o
componente vertical da velocidade diminui no sentido do topo da fonte e aumenta no
32
sentido radial e que a velocidade tem um componente horizontal no núcleo da fonte,
exceto no eixo. O módulo da componente horizontal no núcleo aumenta ao longo do raio,
partindo do zero no eixo e atingindo seu valor máximo perto da interface núcleo-periferia.
A componente horizontal da velocidade na periferia aumenta na direção da superfície
externa da fonte e também aumenta com ao longo da altura da fonte.
2.2.4 - Quedas de Pressão
Os valores de queda de pressão de interesse no projeto e operação de uma
unidade de leito de jorro são aqueles correspondentes aos pontos C e D`da Figura 2.6, vista
anteriormente. Esses são, respectivamente, a queda de pressão máxima (-
M
P∆ ), atingida
antes do jorro incipiente e a Queda Pressão no jorro estabelecido
A queda de pressão máxima é um parâmetro importante para o projeto de leitos
de jorro, pois pode ser usada, por exemplo, no cálculo da potência do soprador necessária
para atingir o regime de jorro estabelecido.
A ocorrência do pico de queda de pressão máxima, na curva característica do
leito, antecede o início do jorro, podendo, entretanto, ser atribuído como a energia
requerida pelo fluxo gás para romper a estrutura do leito compactado, formando um jorro
interno.
MANURUNG (1964) realizou uma quantidade considerável de experimentos
com diversos materiais diferentes. Dos resultados experimentais ele formulou uma relação
empírica para dois componentes de queda de pressão, separadamente, e então a
combinação dos termos gerou a seguinte Equação:
H
p
d
4,3480,0
c
D
i
D
tan
8,6
g
b
H
M
P
−
+
γ
=
ρ
∆−
(2.1)
O coeficiente de fricção interna, tan
γ
, introduzido para permitir a variação das
características superficiais de diferentes materiais sólidos, foi medido de acordo com o
método de ZENZ e OTHMER (1960), e os valores variaram de 1,25 para sementes de
colza a 3,2 para carvão. Para partículas de diferentes tamanhos, o diâmetro da partícula
(
p
d ) foi obtido através de uma análise de dados do diâmetro médio recíproco
(
)
∑
pi
d/
i
x .
33
Para vasos de geometria cônica, GALPERIN et al (1974) obtiveram a seguinte
correlação empírica.
( )
18,0
2/tan1
i
D
b
D
54,2
i
D
b
D
062,01
g
b
H
M
P
−
θ
−
+=
ρ
∆−
(2.2)
Em que:
-
θ
= Ângulo do cone (10
o
– 15
o
);
-
b
ρ = Massa específica aparente do sólido ;
-
b
D = Diâmetro da superfície superior do leito;
- H = Altura do leito (10 – 25 cm).
O diâmetro do orifício de alimentação de ar (D
i
) foi de 5cm e o material sólido
utilizado foi o quartzo fino de 0,16mm e 0,28mm de tamanho. O termo D
b
está relacionado
geometricamente às outras dimensões do leito cônico pela Equação a seguir:
2/tanH2
i
D
b
D θ+= (2.3)
Outro parâmetro considerado importante no projeto de leitos de jorro é a queda de
pressão de jorro estável, que juntamente com a velocidade de jorro mínimo determinam a
potência e operação do leito.
MAMURO e HATTORI (1968), após algumas considerações chegaram a uma
Equação para a queda de pressão no jorro estável, como segue:
( )( )
3
1
4
s s f mf M
P g H
ρ ρ ξ
−∆ = − −
(2.4)
Uma correlação que se aplica satisfatoriamente a leitos de jorro convencional, é a
correlação proposta por NASCIMENTO et al (1976), mostrada a seguir.
( )
2
1 . .
3
ms mf s
P H g
ξ ρ
∆ = − (2.5)
34
Para vasos cônicos, MUKHLENOV e GORSHTEIN (1965) propuseram a
seguinte correlação empírica de queda de pressão na condição de jorro estável:
(
)
33,0
i
D
H
.
2,0
i
Re
2,0
2
tan68,7
g.
b
.H
s
P
θ
=
ρ
∆−
(2.6)
Em que
i
Re é o número de Reynolds baseado no diâmetro da partícula e na
velocidade do gás através do orifício de entrada de ar,
θ
é o ângulo do cone, D
i
é o
diâmetro do orifício de entrada de ar e H altura do leito.
2.2.5 - Velocidade de Jorro Mínimo
A velocidade de jorro mínimo depende tanto das propriedades do sólido e do
fluido quanto da geometria do leito. Num leito de jorro convencional, a velocidade de jorro
mínimo(
jm
v
), para um dado material, aumenta com o aumento da altura do leito de sólidos
e com a diminuição do diâmetro da coluna.
Muitos pesquisadores propuseram correlações empíricas para velocidade de jorro
mínimo em vasos cilíndricos de base tronco-cônica. Uma das mais usadas foi proposta por
MATHUR e GISHLER (1954):
( )
1
1
2
3
2. . .
. .
s f
p
i
ms
c c f
g H
d
D
U
D D
ρ ρ
ρ
−
=
(2.7)
Em qe
p
d é o diâmetro da partícula,
c
D o diâmetro da coluna,
i
D o diâmetro do
orifício de entrada do ar e
f
ρ a massa específica do fluido.
Para vasos com geometria cônica são propostas, também, várias correlações da
velocidade mínima do fluido no jorro estável. Dentre elas podemos citar a correlação de
MUKHLENOV e GORSHTEIN (1965), que trabalhando com partículas de quartzo, areia e
silicato de alumínio com
p
d entre 0,5 e 2,5mm;
s
ρ entre 0,98 e 2,36 g/cm
3
e
i
D entre 1,0
e 1,3 cm; H entre 3,0 e 15,0 cm;
θ
entre 120
o
e 60
o
, chegaram à seguinte Equação:
35
( )
( )
( )
( )
0,85
0,50
2,5
Re 0,174. .
tan / 2
b
i
ms
i
Ar
D
D
θ
=
(2.8)
Em que:
. .
Re
p f
i
f
d U
ρ
µ
=
2.2.6 - Extração Mecânica da Bixina em Leito de Jorro
MASSARANI et al. (1992) determinaram experimentalmente a taxa de produção
de bixina no leito de jorro com tubo interno e a qualidade do pó produzido, com o objetivo
de analisar a viabilidade técnica de produção do concentrado de bixina neste equipamento.
A qualidade do pó produzido foi analisada em função do teor de umidade, faixa
granulométrica e teor de bixina. O teor de bixina foi analisado por técnicas de
espectrofotometria.
MASSARANI et al. (1992) consideraram o leito de jorro com tubo interno um
equipamento promissor na extração mecânica de bixina. Seus resultados confirmam que a
presença do tubo interno no interior do leito governa a cinética de atrição.
EZEQUIAS et al. (1994), otimizaram os parâmetros geométricos do tubo interno
em função da produção de pó. Estes autores trabalharam com seis arranjos diferentes para
as dimensões geométricas do tubo interno. A massa de sementes processadas (M
S
= 6 Kg),
a vazão de entrada de ar (Q/Q
mj
= 1,1) e o tempo de processamento (t = 3h) foram
considerados constantes. O melhor arranjo para a inserção do tubo interno na unidade de
leito de jorro encontrado foi L
t
= 0,5m (comprimento do tubo draft), d
t
= 0,0524m
(diâmetro do tubo) e h
t
= 0,04m (distância do tubo à base).
VILELA et al. (1996) estudaram o processamento de 5 kg de sementes em leito
de jorro, com condições diversas para a vazão de entrada de fluido Q, sendo
1,2 1,8
jm jm
Q Q Q
≤ ≤ . Seus resultados demonstraram que a massa do pó produzido aumenta
com a vazão de ar e que a taxa de produção de pó é inicialmente alta, tendendo a cair com
o tempo de processamento.
MENDONÇA (1999) realizou um estudo do processo de produção de extrato
natural de urucum por extração mecânica em um leito de jorro com tubo interno. Os
36
resultados obtidos demonstraram que a melhor condição operacional deste equipamento é
alcançada quando a massa de sementes processadas é igual a 5kg, o tempo de
processamento de cinco horas e a vazão de ar equivalente à máxima fornecida pelo sistema
de sopradores. Testes de produção de pó foram realizados; utilizando sementes de
procedências diversas. Destes testes concluiu-se que a procedência das sementes de
urucum exerce influencia significativa na quantidade e qualidade do pó produzido. Curvas
características de operação, Q versus ∆P, para cada tipo de semente foram obtidas,
comprovando que as propriedades da partícula influenciam a dinâmica do leito de jorro
durante o processamento. Observou-se que para um mesmo tempo de operação o pó obtido
a vazões de ar menores é mais fino. Foi observado que à medida que se aumenta o tempo
de processamento, o pó extraído tende a ser mais grosso independente da vazão de entrada
de ar. Desta forma, os resultados indicaram que a camada externa das sementes de urucum
não é homogênea na sua constituição.
TAVARES et al (1999) realizaram um estudo de extração mecanica da bixina da
semente de urucum utilizando um leito de jorro cone-cilindro e seus resultados mostraram
que as variáveis que mais influenciaram a produtividade foram a presença do “draft” e a
velocidade do ar. A presença do “draft”e a velocidade do ar também foram as variáveis
que mais influenciaram o teor de bixina no pó extraído mecanicamente em leito de jorro.
2.3 - A Técnica de Fluidodinâmica Computacional
O conhecimento da fluidodinâmica do leito de jorro é de fundamental
importância para a eficiência do processo de extração mecânica. Neste trabalho, além da
análise experimental da fluidodinâmica do leito de jorro, foi desenvolvido também um
estudo baseado na técnica da fluidodinâmica computacional (CFD). Sendo assim, neste
tópico será realizada uma breve revisão deste assunto, tendo como base os trabalhos
anteriores desenvolvidos no Programa de Pós-graduação em Engenharia Química da UFU
(DUARTE, 2006; LOURENÇO, 2006 e VIEIRA NETO, 2007).
As soluções de problemas práticos em dinâmica dos fluidos eram, antes do
surgimento dos computadores, de exclusividade da pesquisa experimental, que através de
observações em laboratórios estudavam situações próximas da realidade. Por outro lado, os
pesquisadores teóricos, se restringiam à resolução de problemas bem formulados e bastante
37
simplificados, geralmente fazendo uso de soluções analíticas. Com o advento dos
computadores e a intensificação da pesquisa na área da análise numérica, surgiu um
segmento direcionado ao estudo da dinâmica dos fluidos que atualmente é conhecida como
Dinâmica de Fluido Computacional, ou CFD (Computational Fluid Dynamics). A
simulação de escoamentos em torno de perfis aerodinâmicos, a simulação de escoamento
com reações químicas, ou, ainda, a simulações de sistemas multifásicos, são algumas das
importantes aplicações da análise numérica computacional (DUARTE, 2006).
A indústria aerodinâmica foi a principal impulsionadora dos estudos e do avanço da
fluidodinâmica computacional e, por exemplo, a solução do escoamento turbulento
supersônico sobre um aerofólio que na década de 60 consumiria um tempo de computação
de aproximadamente 30 anos a um custo de 10 milhões de dólares, usando computadores
do tipo IBM 704, nos dias de hoje, utilizando os computadores atuais, não iriam requerer
mais do que minutos de CPU com custo de centenas de dólares (MALISKA, 1995).
O avanço na capacidade de processamento e armazenamento de dados dos
computadores proporcionou um grande avanço na geração de “softwares” de CFD
comerciais.
Mais que simples resolvedores de sistemas de equações, os pacotes de CFD
comerciais são códigos que permitem a geração de malhas, o controle e acompanhamento
da solução ao longo das iterações, além de disponibilizarem um display de resultados com
alta capacidade gráfica para geração dos resultados, tendo como uma de suas principais
vantagens, a rápida geração de resultados para sistemas simples, i.e., geometria simples,
uma única fase e bidimensional (DUARTE, 2006).
A maior parte dos códigos CFD comerciais usam a metodologia de volumes finitos,
na qual equações governantes são discretizadas na forma de um volume integral. Estes
códigos possuem diferentes esquemas de interpolação e métodos de discretização que
podem ser adotados conforme exigência de estabilidade ou outros critérios que o usuário
julgue importantes (DUARTE, 2006).
A simulação em CFD é uma importante ferramenta capaz de fornecer detalhes
sobre fenômenos de turbulência e a cerca do escoamento no interior de leitos. Logo, esta
ferramenta tem sido cada vez mais adotada no estudo de perfis de escoamentos bifásicos
gás-partícula. No entanto, a aplicação a sistemas mais concentrados, como o leito de jorro,
tem sido pouco explorada (DUARTE, 2006).
38
2.3.1 - Revisão do Modelo Uutilizado Nas Simulações (CFD)
DUARTE (2006) propõe um tratamento Euleriano para cada fase, onde as fases
estudadas foram: gasosa e sólida. O modelo Euleriano multifásico, descrito a seguir,
permite a modelagem de diversas fases levando em consideração a interação entre as
mesmas.
O desenvolvimento das Equações de conservação pode ser feito utilizando um
balanço médio local instantâneo para cada fase. A fração de volume para a fase q (q = g,s)
é calculada a partir da Equação da continuidade:
( ) ( ) ( )
1
n
q q q q q pq q p q
p
v m m S
t
α ρ α ρ
=
∂
+ ∇ ⋅ = − +
∂
∑
r
& &
(2.9)
O balanço de Momento para as fases contínua e granular é definido pelas Equações
(10) e (11), respectivamente:
( ) ( )
( )
, ,
g g g g g g g g g g g gs g lift g vm g
v v v p g R F F F
t
α ρ α ρ α τ α ρ
∂
+ ∇⋅ = − ∇ + ∇⋅ + + + + +
∂
r r r r
r r r r
(2.10)
( ) ( )
( )
, ,
s s s s s s s s s s s s sg s lift s vm s
v v v p p g R F F F
t
α ρ α ρ α τ α ρ
∂
+∇⋅ =− ∇ −∇ +∇⋅ + + + + +
∂
r r r r
r r r r
(2.11)
Em que:
( )
( )
1
n
sg gs sg s g sg sg gs gs
p
R R K v v m v m v
=
= = − + −
∑
r r
r r r r
& &
(2.12)
O tensor tensão de Reynolds (q = g,s) é dado por:
( )
2
3
T
q q q q q q q q q
v v v I
τ α µ α λ µ
= ∇ +∇ + − ∇⋅
r r r
(2.13)
Sendo,
q
µ
a viscosidade cisalhante e
q
λ
a viscosidade bulk da fase q (q =
g,s).
q
F
r
é a força de corpo externa,
,
lift g
F
r
e
,
lift s
F
r
são as força de massa virtual referente às
39
fases gás e sólida,
sg
R
r
é a força de interação entre as fases, e p a pressão compartilhada
pelas fases.
A força de arraste é a força de interação entre as fases mais atuante e significativa e
está presente no coeficiente de troca de momento entre as fases,
sg
K
:
s s
sg
s
f
K
α ρ
τ
=
(2.14)
2
,
Re
24
D s g
r s
C
f
v
α
=
(2.15)
em que:
d
f
é a força de arraste,
,
r s
v
é a velocidade relativa fluido-partícula e
s
τ
é o
tempo de relaxação da partícula, o qual é definido por:
2
1 8
s s
s
d
ρ
τ
µ
=
(2.16)
na qual: d
s
é o diâmetro das partículas e
µ
é a viscosidade da fase fluida.
A definição de
f
inclui o coeficiente de arraste (C
D
) que é baseado no número de
Reynolds relativo (R
es
). O Modelo de Arraste de GIDASPOW et al. (1992) é formado pela
Equação de ERGUN, para o cálculo da fase densa, e pela Equação de WEN e YU, para o
cálculo da fase diluída:
Para
0,8
g
α
>
, (WEN e YU, 1966):
2.65
3
4
s g g s g
sg D g
s
v v
K C
d
α α ρ
α
−
−
=
r r
(2.17)
( )
0.687
24
1 0.15 Re
Re
D g s
g s
C
α
α
= +
(2.18)
Para
0,8
g
α
≤
, ( ERGUN, 1952):
(
)
2
1
150 1,75
s g g l s s g
sg
g s s
v v
K
d d
α α µ ρ α
α
− −
= +
r r
(2.19)
40
Os modelos constitutivos para as viscosidades cisalhante e bulk da fase granular
são definidos pela teoria cinética granular (LUN et al., 1984), bem como pelo conceito da
temperatura granular, que incorpora o termo de pressão de sólidos. A viscosidade
cisalhante dos sólidos é dada pela soma dos termos relativos às colisões, cinética da
partícula e friccional, sendo este opcional.
Termo colisional (LUN et al., 1984):
( )
1
2
, 0,
4
1
5
s
s col s s s ss ss
d g e
θ
µ α ρ
π
= +
(2.20)
Termo cinético (SYAMLAl et al. 1989):
( )
( )( )
, 0,
2
1 1 3 1
6 3 5
s s s s
s cin ss ss s ss
ss
d
e e g
e
α ρ θ π
µ α
= + + −
−
(2.21)
Termo Friccional (desprezado): Os resultados obtidos por Du et al. (2006-a) revelaram
pouca influência da inclusão de um Modelo Friccional na fluidodinâmica do leito.
A viscosidade bulk dos sólidos tem a seguinte forma (LUN et al., 1984):
( )
1
2
0,
4
1
3
s
s s s s ss ss
d g e
θ
λ α ρ
π
= +
(2.22)
Por analogia com o escoamento dos gases ideais, surge o conceito da temperatura
granular, que é proporcional à energia cinética do movimento aleatório das partículas,
como mostra a Equação (2.23). A equação de conservação da temperatura granular está
apresentado na Equação (2.24):
2
3
p
v
θ
=
(2.23)
( ) ( )
(
)
( )
3
:
2
s s
s
s s s s s s s s s s ls
v p I v k
t
θ θ
ρ α θ ρ α θ τ θ γ φ
∂
+ ∇⋅ = − + ∇ + ∇⋅ ∇ − +
∂
r r
(2.24)
na qual,
s
k
θ
é o coeficiente de difusão expresso pelo Modelo de GIDASPOW et al. (1992),
s
θ
γ
−
dissipação de energia devido a colisões definido por LUn et al. (1984) e
gs
φ
representa a troca de energia entre as fases granular e gasosa. A pressão de sólidos é
expressa pela Equação 16, (LUN et al. 1984):
41
(
)
2
0,
2 1
s s s s s ss s ss s
p e g
α ρ θ ρ α θ
= + +
(2.25)
onde
0,
ss
g
é a função distribuição radial, dada pelo Modelo de Ogawa (1980).
As condições de contorno foram definidas da seguinte forma: na entrada do leito,
a injeção de ar é somente na direção axial e tem perfil parabólico e a velocidade de sólidos
é nula; na saída do leito, os gradientes axiais de velocidade para as duas fases são nulos e a
pressão é atmosférica
(
)
0, , , , ,
s s g
x u v
ψ ψ θ α α
∂ ∂ = =
; no eixo do jorro, os gradientes
radiais de velocidade para as duas fases e para a temperatura granular são nulos
(
)
0, 0; , , , ,
s s g
y z u v
ψ ψ ψ θ α α
∂ ∂ = ∂ ∂ = =
; nas paredes admitiu-se uma condição de não
escorregamento
(
)
0
s s g
u v
θ α α
= = = = =
.
42
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 - A Caracterização das Sementes de Urucum
Os experimentos de extração de bixina em leito de jorro foram realizados
utilizando sementes de urucum provenientes da cidade de Rio Vermelho (MG), localizada
no Vale do Jequitinhonha.
Análises das sementes de urucum foram realizadas no Laboratório de Sistemas
Particulados da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia
(LSP/FEQUI/UFU), para se estudar as seguintes propriedades: densidade, diâmetro da
esfera de mesmo volume e o teor de bixina do pó extraído. Os procedimentos
experimentais de caracterização das sementes são descritos a seguir, sendo os seus
resultados experimentais mostrados no Apêndice C.
3.1.1 - A Determinação da Densidade das Sementes
A determinação da densidade das sementes de urucum, provenientes de Rio
Vermelho (MG), foi feita através do Método Picnométrico. Esta análise foi realizada em
10 amostras de sementes, cada qual com um número pré-definido de partículas, utilizando-
se para isto picnômetros de 50 mL, uma balança analítica (Marca GEHAKA, Modelo AG
200), uma estufa (Marca FANEM, Modelo 315 SE) e n-hexano como fluido de análise.
A escolha do n-hexano foi baseada nos seguintes fatores:
baixa densidade relativa em relação à densidade da semente.
baixa solubilidade do corante em pó existente na camada superficial das sementes
baixa absorção do solvente pelas sementes.
3.1.2 - A Determinação do Diâmetro da Esfera de Mesmo Volume que a Partícula (d
P
)
Para a determinação do d
P
, foi também utilizado o método picnométrico. A partir
dos resultados coletados durante o método para se obter a densidade das sementes de
urucum, é possível encontrar o volume de sementes contido no picnômetro. Como o
43
número total de sementes em cada picnômetro é conhecido, o volume médio da semente de
urucum pode ser obtido.
O diâmetro médio da esfera de volume igual ao volume da semente pode ser
calculado, igualando o volume individual de cada partícula ao volume de uma esfera,
resultando na Equação (3.1) apresentada a seguir:
3
(6 )
P
P
V
d
π
×
=
(3.1)
em que: V
P
é o volume da semente de urucum
3.2 - A Determinação da Concentração de Bixina no Pó Extraído
A técnica de espectrofotometria foi utilizada na determinação da concentração de
bixina no pó extraído. O procedimento detalhado dessa análise quantitativa é descrito a
seguir.
A amostra é diluída em acetona a uma concentração adequada para análise. O
teor de pigmento é determinado medindo-se o valor da DO (densidade óptica) no pico em
aproximadamente 485 nm. O coeficiente de extinção E (1%, 1 cm) para bixina em acetona,
a 485 nm, é 3140. Foi utilizado para esta medida um espectrofotômetro (Marca PRO-
ANALISE, Modelo V-1200)
Alguns cuidados devem ser tomados para que esta medida alcance uma precisão
adequada. É preciso se certificar de que a amostra esteja bem misturada. Nestas medidas
foram pesadas alíquotas entre 0,1 - 0,50 g do pó extraído em balança de precisão 0,1 mg. O
material foi dissolvido em acetona em balão de 50 mL. Dessa solução foi retirado 0,2 mL
(em micropipeta) para nova diluição (em balão de 25mL). Esta solução foi então utilizada
para a medida no espectrofotômetro. Foi medida a absorbância em 485 nm, usando acetona
como branco. A densidade óptica deveria estar no intervalo 0,2 < OD < 0,8, caso contrário,
diluições adequadas deveriam ser preparadas
A concentração do pigmento, porcentagem em peso de bixina, era calculada
conforme a seguinte equação:
4 8 5
( % m / m )
3 1 4 0
n m
b
O D D
C
×
=
(3.2)
44
diluição1daalíquotadavolamostradamassa
balão2volbalão1dovol
D
o
oo
×
×
=
(3.3)
em que: OD
485 nm
é a densidade ótica (absorbância) da diluição em 485 nm.
3.3 - A Unidade Experimental
A unidade experimental de extração mecânica da bixina em leito de jorro
utilizada neste trabalho é mostrada na Figura 3.1.
.
Figura 3.1: A Unidade Experimental.
As dimensões do leito de jorro utilizado na unidade de extração de bixina são
apresentadas na Tabela 3.1. Foi utilizado também em alguns ensaios um tubo interno (tubo
draft) com 3,5 cm de diâmetro e com diferentes comprimentos, para ajustar-se à altura da
carga de sólidos no leito.
Tabela 3.1: As Dimensões do Leito de Jorro.
Altura da parte cônica 15 cm
Altura total da parte cilíndrica
70 cm
Diâmetro da parte cilíndrica 21 cm
Diâmetro da entrada do leito 3,5 cm
Ângulo de inclinação da base 60º
45
O fluxo de ar era proporcionado por um soprador de 7,5 Cv (2), sendo controlado
por duas válvulas do tipo gaveta (9). Uma válvula primária foi instalada após a saída do
compressor em um sistema de bypass para regular a vazão de ar e outra, secundária,
instalada na linha de admissão de ar ao leito, para um maior controle sobre a vazão do
fluido. A vazão do ar foi medida por uma placa de orifício (4) conectada a um transdutor
de pressão diferencial (3) e calibrada previamente com o auxílio de um termo-anemômetro
de fio quente (Marca VelociCalc TSI, Modelo 8357 com faixa de operação de 0 à 30 m/s,
ver detalhes no Apêndice A). A tubulação utilizada foi feita de aço galvanizado com 50,8
mm de diâmetro e aproximadamente 3 m de comprimento. A queda de pressão no leito foi
medida na parede do leito, a 0,5 cm de distância do bocal de entrada do gás, usando um
transdutor de pressão do tipo sonda (5). O sinal era transmitido para um computador por
uma placa de aquisição de dados A/D (6). Uma tela de 8 mesh foi fixada entre a parte
cilíndrica e a parte cônica superior do equipamento para evitar o arraste de sementes do
leito. O concentrado do pó de bixina extraído foi recolhido em um recipiente (7) conectado
ao underflow de um ciclone do tipo STAIRMAND (8) de 10 cm de diâmetro da parte
cilíndrica.
O Sistema de aquisição de dados utilizado neste trabalho era composto por:
Um transdutor de pressão da marca GEMS SENSORS – Modelo K053266, com
faixa de escala de 0 a 7,5 psig, instalado na base cônica do leito, logo acima da
entrada de ar;
Um transdutor de pressão diferencial da marca COLE PARMER – Modelo
PTX500, com de escala 25 inH
2
0, instalado na placa de orifício, na região
horizontal da tubulação. Um bloco conector marca NATIONAL INSTRUMENTS –
CB-68LP, faz a conexão entre os sinais emitidos pelo transdutor de pressão e a
placa de aquisição de dados A/D (analógico-digital).
Uma placa de aquisição de dados marca NATIONAL INSTRUMENTS – PCI-6021E
com 16 entradas analógicas, que converte os sinais analógicos do transdutor de
pressão para a forma digital.
Os sinais digitais foram processados e analisados num microcomputador, com o
auxílio do software LabVIEW
TM
, versão 8.2.1. A calibração desses instrumentos é
mostrada no Apêndice B.
46
3.3.1 - O Procedimento Experimental
O seguinte procedimento foi utilizado na realização dos ensaios de extração
mecânica da bixina em leito de jorro. Inicialmente foi medida a massa de sólidos, de
acordo com o planejamento experimental utilizado (veja próximo tópico), e o leito
alimentado. Em seguida o soprador era acionado e a vazão de ar a ser utilizada no
respectivo ensaio era rapidamente ajustada. As medidas de massa de pó extraída (coletadas
no underflow do ciclone) foram feitas a cada 10 min durante as duas primeiras horas, e a
cada 20 min na terceira hora e a cada 30 minutos na quarta e última hora de experimento.
Essas medidas foram realizadas em balança analítica de precisão 0,1 mg. Ao final de cada
experimento as concentrações de bixina no pó extraído eram medidas, conforme
procedimento descrito anteriormente.
Nas diversas condições do planejamento experimental utilizado nesta dissertação
foram obtidas também curvas características, visando à identificação e melhor
compreensão dos parâmetros fluidodinâmicos do leito de jorro. Conforme mencionado
anteriormente, os resultados de velocidade e de pressão foram obtidos com o auxílio de um
sistema de aquisição de dados experimentais. Os resultados eram coletados no transdutor
de pressão em vazões crescentes e decrescentes de ar, a uma taxa de coleta de cerca de 100
pontos por segundo e um número de pontos igual a 512 pontos por amostra, num intervalo
de tempo de aproximadamente 5 segundos, para cada ponto da curva característica. O
software LabVIEW, versão 8.2.1, permitiu a leitura e interpretação de todos os sinais
recebidos pela placa de aquisição de dados, permitindo, ainda, um gerenciamento desses
dados pelos tratamentos matemáticos e estatísticos e agrupamento de resultados em
arquivos.
3.4 - O Planejamento de Experimentos
A metodologia do planejamento fatorial de experimentos foi aplicada nesse
trabalho com objetivo de avaliar, dentre as condições propostas, as melhores condições
para realizar a operação de extração de corante bixina de sementes de urucum no leito de
jorro estudado, de forma a maximizar a extração do corante em pó.
As variáveis estudadas foram a carga de sementes (M
S
), presença ou não do tubo
draft e a vazão volumétrica do ar na alimentação (Q
.
) e as respostas analisadas foram a
47
massa de corante em pó extraída (M
p
), a concentração de bixina nesse pó (C
b
) e a
produtividade do processo (P
r
), calculada pela relação entre a massa de pó extraída pela
carga de sementes e pelo tempo de processamento, sendo então definida pela seguinte
equação:
tM
M
P
S
P
r
⋅
= (3.4)
Para a análise da influência dessas três variáveis do processo na massa de corante
extraída e na qualidade do produto foi elaborado um planejamento fatorial em dois níveis.
A Tabela 3.2 apresenta as variáveis e seus respectivos níveis e a Tabela 3.3 apresenta a
matriz do planejamento em níveis codificados com as respectivas condições operacionais.
Tabela 3.2: Variáveis e seus repetíveis níveis.
Variável Nível = 1 Nível = –1
X
1
: Massa de sementes 2,5 Kg 2,0 Kg
X
2
: Presença do tudo draft Com Draft Sem Draft
X
3
: Adimensional, Q/Q
jm
1,20 1,10
Tabela 3.3: Condições operacionais para análise da influência de três variáveis na extração
mecânica da bixina em leito de jorro.
Ensaio
Ms (kg) Presença do draft
Q/Q
jm
1
1 1 1
2
-1 1 1
3
1 -1 1
4
-1 -1 1
5
1 1 -1
6
-1 1 -1
7
1 -1 -1
8
-1 -1 -1
48
Com os valores de t de Student obtidos da analise de variância da regressão, as
variáveis cujos parâmetros relacionados possuíam nível de significância superior a 10%
foram consideradas não significativas.
3.5 - A Influência da Distância do Tubo Draft à Base
Um segundo conjunto de experimentos foi realizado para avaliar a influência da
distância do tubo draft à base (h
t
) no processo de extração mecânica da bixina em leito de
jorro. Nestes experimentos foram utilizados diversos valores de h
t
(3, 4, 5, 6 e 7cm),
mantendo-se constante a carga de semente no leito (M
S
= 2,5 Kg), a vazão de ar (Q = 99,74
m
3
/h) e o tempo de processamento de 4 horas.
3.6 - A Execução Numérica
As simulações foram realizadas através do software comercial CFD Fluent
6.3.26; o qual a Faculdade de Engenharia Química da UFU possui a licença.
3.6.1 - A Malha Computacional
O aspecto típico da malha adotada neste estudo pode ser visto na Figura 3.2. Na
parte cônica e no início da parte cilíndrica até atingir altura de 19 cm foi adotada uma
malha não estruturada com células triangulares e no restante da parte cilíndrica utilizou-se
uma malha estruturada com células retangulares. As malhas utilizadas neste estudo
possuíam em média 5600 células.
Figura 3.2: Malha adotada
3.6.2 - O Modelo Matemático
Conforme mencionado no Capítulo 2, neste trabalho foi usado o Modelo
Multifásico Euleriano para as simulações da fluidodinâmica do escoamento das sementes
49
de urucum em leito de jorro, por meio da técnica de CFD. Este permite modelar múltiplas
fases separadas, ou ainda, interagentes. As fases consideradas são a gasosa e sólida. A
aproximação Euleriana é usada para cada fase, levando em conta todas as possíveis
combinações intra e inter-fásicas. As frações volumétricas foram assumidas como sendo
funções contínuas do espaço e tempo e sua soma igual a um. O desenvolvimento das
equações de conservação pode ser feito utilizando um balanço médio local instantâneo para
cada fase. A fração de volume para a fase sólida é calculada a partir da equação da
continuidade. A modelagem foi realizada baseada em trabalhos anteriores (DUARTE,
2006; LOURENÇO, 2006 e VIEIRA NETO 2007) e foi descrita na Seção 2.3.1 desta
dissertação.
Devido ao comportamento relativamente simétrico do leito de jorro quando
operado de forma estável este, foi modelado assumindo um eixo de simetria, uma vez que
o esforço computacional é reduzido quando se trabalha com perfis simétricos nas equações
básicas do escoamento.
3.6.3 - O Procedimento de Resolução
O conjunto das equações de balanço e equações constitutivas foi resolvido
utilizando a técnica de volumes finitos, empregada pelo software de CFD Fluent 6.3.26.
Adotou-se o algoritmo SIMPLE para estabelecer o acoplamento velocidade-pressão. São
necessários simular 3 segundos em tempo real para o jorro atingir o estado estacionário. O
passo temporal máximo foi de 1x10
-4
s e o critério de convergência estabelecido foi da
ordem de 1x10
-3
para a Equação da Continuidade, frações volumétricas, velocidade do ar e
velocidade das sementes de urucum.
50
CAPÍTULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Nesse capítulo serão apresentados os resultados obtidos durante a caracterização
física das sementes de urucum utilizadas nos experimentos; parâmetros importantes que
serão utilizados no estudo de simulação computacional em CFD.
Serão mostrados também os resultados do estudo fluidodinâmico do leito de
jorro na operação de extração mecânica, realizado com o intuito de se obter as vazões e as
quedas de pressões de jorro mínimo para diversas configurações do leito e para duas
massas distintas de carregamento de sementes, de onde foi possível estabelecer as faixas de
vazões de ar que iriam ser utilizadas nos experimentos.
A partir daí, serão apresentados os estudos para se determinar o tempo de
extração, bem como a configuração e a condição operação do leito de jorro que maximize a
extração do corante bixina da superfície das sementes de urucum.
Por fim, serão comparados alguns resultados experimentais com as simulações
realizadas pela técnica da fluidodinâmica computacional. As simulações fluidodinâmicas
por CFD foram utilizadas também com o propósito de ajudar a explicar a razão das
maiores produtividades em algumas condições operacionais.
4.1 - Resultados Experimentais
4.1.1 - A Caracterização Física das Sementes
Os valores experimentais encontrados na caracterização física das sementes de
urucum provenientes da cidade de Rio Vermelho (MG) se encontram na Tabela 4.1. Esses
valores foram obtidos seguindo as metodologias descritas no Capítulo 3, nas quais foram
analisadas dez amostras de sementes e cujos dados experimentais dessas análises são
mostrados no Apêndice C.
51
Tabela 4.1: Propriedades físicas da semente de urucum.
Propriedade Física
Valor Experimental e o
Desvio Padrão (DP)*
Densidade da semente - ρ
S
(kg/m
3
)
1270,00
DP = 95,00
Diâmetro da esfera de mesmo
volume que o da semente - d
P
(mm)
3,57
DP = 0,095
*DP é o desvio padrão das medidas
É possível verificar que estes valores obtidos para a caracterização das sementes
de urucum estão coerentes em relação àqueles observados em publicações de trabalhos
anteriores sobre o assunto.
4.1.2 - As Curvas Características
As curvas características construídas a partir dos resultados de queda de pressão
no leito e vazão de alimentação de ar, coletados diretamente pelo sistema de aquisição
durante o decorrer da operação de extração mecânica para diversas configurações do leito
de jorro e cargas de sementes, são mostradas a seguir. A partir destas curvas foi possível a
determinação das condições de jorro mínimo apresentadas na Tabela 4.2.
Observações detalhadas destas curvas permitem identificar as diversas
transformações sofridas pelo leito de partículas, da condição de leito estático até o
aparecimento do regime de jorro estabelecido, bem como a obtenção das condições de
vazões e pressões de jorro mínimo.
As Figuras 4.1 e 4.2 representam os experimentos realizados com o leito de jorro
com configuração tradicional (sem a presença de tubo draft) e carregado com 2,5 Kg e 2,0
Kg de sementes respectivamente. É possível verificar nestas figuras que, com pequenas
vazões de ar o fluido apenas percola entre as partículas e o sistema comporta-se como um
leito fixo. O aumento gradativo da vazão de ar produz uma agitação maior das partículas
na base do leito, ocasionando a formação de uma cavidade interna devido à ação do jato de
ar. Esta cavidade aumenta gradualmente dando origem a um canal preferencial central,
conhecido como jorro interno, que se estende com o aumento da vazão até o ponto de jorro
52
incipiente, onde a perda de carga do sistema é máxima, ficando na iminência de romper a
superfície do leito de partículas. Essas perdas máximas observadas nas condições
estudadas em vazões crescentes foram de 37,52cmH
2
O para o carregamento de 2,0 Kg, que
fornece uma altura de leito estático de 17cm, e de 32,47cmH
2
O para o carregamento de
2,5 Kg de sementes, que fornece uma altura de leito estático de 19cm.
A partir deste máximo, inicia-se a fase de expansão do leito, onde ocorre um
decréscimo da perda de carga, indicando que o fluxo de ar começa a vencer a força
resistiva do arco de partículas, formado logo acima da entrada de ar do equipamento. Um
pequeno incremento na vazão de ar alimentado propicia a formação do jorro na superfície
do leito, dando origem à região de fonte e a uma abrupta queda na perda de carga do
sistema. Desse ponto em diante, um novo aumento na vazão de fluido não acarreta
mudanças na queda de pressão, uma vez que a quantidade adicional de gás injetado passa
quase que inteiramente pela região de jorro, que oferece menos resistência ao escoamento.
Nos processos inversos, ou seja, decréscimo da vazão de gás, vistos também nas
Figuras 4.1 e 4.2, é possível notar que com a redução da vazão, a condição de jorro foi
mantida até um valor específico de vazão, onde é observada a menor vazão de ar, com a
qual se pôde verificar um jorro estável, denominada vazão de jorro mínimo (Q
jm
).
Nos experimentos realizados com o leito de jorro convencional, foi encontrada
uma vazão de jorro mínimo da ordem 73,74 m
3
/h, para M
S
= 2,0 Kg e 83,07 m
3
/h, para M
S
= 2,5 Kg. As quedas de pressão de jorro mínimo observadas nestes casos foram 3,68 e 4,41
cmH
2
O, respectivamente.
A diminuição continua do fornecimento de ar para o leito ocasiona o
aparecimento de um valor mais elevado de queda de pressão, onde o regime de jorro
estabelecido deixa de existir. Este valor ainda é menor que aquele encontrado durante o
acréscimo da vazão; pois a vazão decrescente de ar não precisa despender tanta energia
para romper um leito compactado de partículas.
53
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
0 20 40 60 80 100
Vazão (m3/h)
P (cmH
2
0)
Acréscimo
Decréscimo
Figura. 4.1: Curva Característica de queda de pressão versus vazão de ar (Leito de jorro
com configuração convencional, M
S
= 2 Kg e H
0
= 17cm).
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
0,000 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000
Vazão (m3/h)
∆
∆
∆
∆
.P (cmH
2
0)
Acréscimo
Decréscimo
Figura. 4.2: Curva Característica de queda de pressão versus vazão de ar (Leito de jorro
com configuração convencional, M
S
= 2,5 Kg e H
0
= 19cm).
54
Ns Figuras 4.3, 4.4, 4.5 e 4.6, são apresentadas as curvas características, obtidas
utilizando o leito de jorro com as seguintes configurações de tubo draft: h
t
= 4 cm e h
t
=
7cm; e carregamentos de 2,5 Kg e 2,0 Kg de sementes.
É possível verificar que, apesar de ainda existir um ponto máximo de queda de
pressão no interior do leito, as curvas características, para o leito de jorro com tubo draft,
obtidas durante o acréscimo da vazão apresentam comportamento diferente daquelas
encontradas para o leito de jorro com a configuração tradicional.
A inserção do tubo interno logo acima do bocal de injeção do gás no equipamento
modifica a fluidodinâmica do leito.
Observa-se nos resultados um valor de queda de pressão crescente com
comportamento muito próximo do linear durante o aumento da vazão do gás até um certo
ponto no qual a energia acumulada pelo leito é suficientemente grande para que ocorra a
ruptura do leito de partículas e o aparecimento do regime de jorro estabelecido,
caracterizado por uma queda brusca de pressão no interior do equipamento. Desse ponto
em diante, qualquer incremento na vazão de ar provoca a elevação da fonte e uma pequena
alteração da perda de carga.
No processo inverso, diminuição da vazão, as curvas características de queda de
pressão versus vazão de ar para as duas configurações de leito de jorro, tradicional e sem
tubo draft, apresentam o mesmo comportamento qualitativo sendo possível obter valores
de vazão e quedas de pressão na condição de jorro mínimo (inferiores aos obtidos para a
configuração convencional).
A fluidodinâmica do leito de jorro foi também estudada por simulação, pela
técnica de fluidodinâmica computacional (CFD), sendo que os resultados obtidos e as
respectivas discussões serão apresentados na Seção 4.2.
55
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
0,000 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000
Vazão (m3/h)
∆
∆
∆
∆
.P (cmH
2
O)
Acréscimo
Decréscimo
Figura. 4.3: Curva Característica de queda de pressão versus vazão de ar (Leito de jorro
com tubo draft, h
t
= 4cm, M
S
= 2Kg e H
0
= 17cm).
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
0,000 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000
Vazão (m3/h)
∆
∆
∆
∆
.P (cmH
2
O)
Acréscimo
Decréscimo
Figura. 4.4: Curva Característica de queda de pressão versus vazão de ar (Leito de jorro
com tubo draft, h
t
= 7cm, M
S
= 2Kg e H
0
= 17cm).
56
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
0,000 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000
Vazão (m3/h)
∆
∆
∆
∆
.P (cmH2O)
Acréscimo
Decréscimo
Figura. 4.5: Curva Característica de queda de pressão versus vazão de ar (Leito de jorro
com tubo draft, h
t
= 4cm, M
S
= 2,5Kg e H
0
= 19cm).
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
0,000 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000
Vazão (m3/h)
∆
∆
∆
∆
.P (cmH
2
O)
Acréscimo
Decréscimo
Figura. 4.6: Curva Característica de queda de pressão versus vazão de ar (Leito de jorro
com tubo draft, h
t
= 7cm, M
S
= 2,5Kg e H
0
= 19cm).
57
4.1. 3 - Condições de Jorro Mínimo
As condições de jorro mínimo, determinadas a partir das curvas características de
queda de pressão versus vazão de ar para diversas condições de operação do leito de jorro
no processo de extração mecânica da bixina, são mostradas na Tabela 4.2. Através de sua
observação é possível perceber como as condições de jorro mínino podem ser afetadas
pelas variáveis analisadas neste trabalho.
Tabela 4.2: Condições de jorro mínimo.
Condição de operação
Uso do draft
Q
jm
(m
3
/h)
∆
∆∆
∆.P
jm
(cmH
2
O)
M
S
= 2,0Kg Não 73,74 3,68
M
S
= 2,5Kg Não 83,07 4,41
M
S
= 2,0Kg - h
t
= 4cm Sim 31,95 1,93
M
S
= 2,0Kg - h
t
= 7cm Sim 43,85 3,11
M
S
= 2,5Kg - h
t
= 4cm Sim 31,99 2,39
M
S
= 2,5Kg - h
t
= 7cm Sim 45,27 3,20
Com o aumento da massa de carga de sementes, ocorre uma elevação tanto na
vazão quanto na queda de pressão de jorro mínimo, e este aumento é mais intenso na
configuração convencional. Este fato pode ser explicado pela maior quantidade de energia
requerida para a ruptura do leito de partículas e formação do jorro no interior do
equipamento para maiores massas.
A inserção do tubo draft no interior do leito de jorro modifica as condições de
escoamento, sendo encontrados menores valores de vazão e queda de pressão na condição
de mínimo jorro, que aqueles obtidos em experimentos realizados utilizando-se o leito de
jorro com configuração tradicional. Com a introdução do tubo interno o fluido é canalizado
para a região de jorro, restringindo a passagem deste fluido para a região anular. A
restrição da passagem do gás para a região anular, região de menor porosidade, causa uma
maior canalização do ar para a região de jorro, sendo então necessárias menores vazões de
ar que devem ser fornecidas ao equipamento para se atingir o regime de jorro estabelecido.
58
A variação da distância entre o tubo e a base do leito (h
t
), também possui
influência nas condições de jorro mínimo, pois através da sua variação é possível se ter
certo controle da quantidade de fluxo de ar direcionado para região de jorro ou anular, seu
valor mínimo é limitado pelo tamanho das partículas que irão ser processadas. Quanto
maior o valor de h
t
maior será a quantidade de ar que escoa pela região anular, aumentando
assim os valores de velocidade e queda de pressão de jorro mínimo.
A tabela a seguir mostra uma comparação entre vazões de jorro mínimo, obtidas
experimentalmente e aquelas calculadas a partir da Equação (2.7) de MATHUR e
GISHLER (1954), que é a equação mais usada para previsão destes parâmetros na
literatura para o leito de jorro cilíndrico com configuração tradicional.
Tabela 4.3: Comparação das vazões de jorro mínimo experimentais com as vazões obtidas
usando a Equação de MATHUR e GISHLER (1955) para o leito de jorro convencional.
Vazão de jorro mínimo - Q
jm
(m
3
/h)
Condição de operação Experimental
MATHUR e GISHLER
(1954)
Desvio relativo
(%)
M
S
= 2,0Kg 73,74 76,62
3,90
M
S
= 2,5Kg 83,07 81,01
2,48
Desvio Médio (%)
3,19
A proximidade entre os resultados experimentais e a correlação empírica, para as
duas alturas, pode ser devido à proximidade das condições em relação àquelas utilizadas
pelo autor da referida equação.
Os desvios relativos entre os dados experimentais e a correlação empírica foram
bastante próximos aos obtidos por LOURENÇO (2006) e por DUARTE (2006). Estes
autores trabalharam com sementes de soja, material mais liso e com esfericidade muito
maior que as sementes de urucum.
59
4.1.4 - Tempo de Processamento das Sementes
O tempo de duração dos experimentos de extração mecânica de bixina foi
determinado através de um experimento simples, utilizando o leito de jorro com
configuração tradicional, sem a inserção do tubo draft, com carregamento de 2,5 Kg de
sementes de urucum (M
S
), vazão de operação estipulada como a máxima fornecida pelo
soprador e conduzido até o instante onde a quantidade do corante em pó coletado foi muito
pequena, ou seja, o tempo necessário para o quase esgotamento da camada de corante da
superfície das sementes pela operação de extração mecânica em leito de jorro.
As variáveis analisadas para a escolha do tempo de processamento das sementes
foram a massa acumulada de corante em pó extraído (Mp), e a produtividade do processo,
cujo procedimento experimental foi descrito no Capítulo 3. A Figura 4.7 mostra o
comportamento dessas duas variáveis no decorrer do experimento.
Figura. 4.7: Variação da massa de pó extraída e da produtividade do processo em função
do tempo de processamento (M
S
= 2,5kg, sem a presença do tubo draft).
Verifica-se que a taxa de produção de pó é inicialmente alta, tendendo a cair com
o tempo de processamento. No que se refere à produtividade; ocorre um decréscimo de seu
valor com o tempo de processamento das sementes, o que era esperado uma vez que ela é
60
obtida a partir da massa de pó extraída e principalmente ao fato de a quantidade de corante
disponível para extração na superfície das sementes de urucum ser limitada.
Foi estabelecido um tempo de processamento (t) de 4 horas para a realização de
todos os experimentos deste trabalho, pois foi observado experimentalmente que a partir
desse tempo a quantidade de pó coletado no ciclone era muito pequena, ou seja, ocorria
uma redução acentuada da taxa de massa de pó extraída e também da produtividade do
processo.
Outro fator decisivo para definição desse tempo foi a diminuição da qualidade do
pó coletado pelo ciclone após 4 horas de experimento, onde se verificou o aparecimento de
pequenos corpos pretos que podem ser vestígios de cascas de sementes produzidos pelo
impacto e também pelo atrito das mesmas no interior do equipamento; não sendo por isso
viável a continuação do experimento deste ponto em diante.
4.1. 5 - Resultados do Planejamento Experimental
Foi elaborado um planejamento fatorial de dois níveis, descrito no Capítulo 3,
com o propósito de analisar a influência de três variáveis: carga de sementes (Ms),
presença do tubo draft (h
t
= 7cm) e a relação entre a vazão volumétrica do ar na
alimentação e a vazão de ar de jorro mínimo (Q/Q
jm
), no processo de extração mecânica de
bixina em leito de jorro.
É importante ressaltar que o valor utilizado como referência para o Q
jm
para todos
os casos foi o da configuração sem o tubo draft. Sendo assim, para a carga de 2,5kg, Q
jm
=
83,07 m
3
/h e para a carga de 2,0Kg, Q
jm
= 73,74 m
3
/h. Ressalta-se também que nos ensaios
com tubo draft foi utilizada uma distância do tubo à base (h
t
) de 7 cm.
As condições experimentais utilizadas nestes experimentos, bem como os
resultados obtidos encontram-se apresentados na Tabela 4.4. As respostas analisadas foram
a massa de corante em pó extraído (M
p
), a produtividade final do processo (P
r
), bem como
a qualidade do corante obtido, em termos da concentração de bixina.
61
Tabela 4.4: Condições operacionais para análise da influência de três variáveis na extração
mecânica da bixina em leito de jorro.
Ensaio
Presença
do draft
Q/Q
jm
Ms
(kg)
Massa de pó
extraída
M
P
(g)
Produtividade
P
r
(g/Kg.h)
Concentração
de Bixina
C
b
(%)
1
Sim 1,2 2,5 67,58 6,76 33,1
2
sim 1,2 2,0 69,52 8,69 44,3
3
não 1,2 2,5 24,28 2,43 23,4
4
não 1,2 2,0 21,67 2,71 24,5
5
sim 1,1 2,5 69,56 6,96 35,5
6
sim 1,1 2,0 44,32 5,54 48,0
7
não 1,1 2,5 22,78 2,78 23,5
8
não 1,1 2,0 13,97 1,75 25,6
.
A diferença significativa entre os valores das variáveis respostas, mostrados na
Tabela 4.4, indica que elas são influenciadas pelas variáveis independentes estudadas. Para
a análise estatística desses resultados foram calculados os efeitos de cada variável
independente, bem como das possíveis interações entre as mesmas, nas respostas
analisadas.
Na Tabela 4.5 são apresentados os resultados dos cálculos dos efeitos estatísticos.
São apresentados nesta tabela apenas os efeitos que foram significativos em um teste de
hipótese utilizando uma estatística t de Student, com nível de significância de 0,01, ou seja
com probabilidade máxima de erro do teste de 10%.
Observa-se nos resultados dos cálculos dos efeitos estatísticos apresentados na
Tabela 4.5, que a presença do “draft” foi a variável que teve o maior efeito em todas as três
respostas estudadas. Este maior efeito é devido as significativas mudanças fluidodinâmicas
que ocorre no leito com a introdução do tubo interno, conforme mencionado na Seção
4.1.3.
62
Tabela 4.5: Efeitos Estatísticos significativos.
Efeitos Estatísticos
Massa Produtividade Concentração
Média
41,71 4,63 32,26
X
1
(Carga)
8,68 - -6,71
X
2
(Draft)
42,07 4,70 15,94
X
3
(Vazão)
8,11 1,02 -1,83
X
1
X
2
- - -5,12
X
1
X
3
-8,35 -1,04 -
X
2
X
3
- - -1,24
R
2
0,976 0,974 0,999
O efeito da presença do draft foi sempre positivo indicando que quando se passa
da configuração sem draft para a configuração com draft ocorre sempre um incremento nas
respostas. A massa extraída aumentou em média 42g, a produtividade foi elevada em
4,7g/Kgh e a concentração de bixina foi incrementada em 15,94 pontos percentuais.
Conforme discutido anteriormente, a presença do tubo draft causa uma
canalização do ar para a região de jorro, aumentando a velocidade do ar e das sementes
nesta região. Como a região de jorro é onde ocorre a maior atrição devido a mais elevada
velocidade das partículas, um incremento dessa velocidade, devido à presença do draft,
favorece ainda mais a extração mecânica da bixina.
A concentração de bixina do pó extraído é afetada positivamente pela presença do
draft devido às altas taxas de produção encontradas nesses experimentos. Uma extração
mais rápida evita que o corante presente na camada superficial das sementes de urucum
fique exposto durante um período maior às altas temperaturas presentes no interior do leito
de jorro, o que evita a sua degradação térmica.
A existência de uma maior carga das sementes aumenta a massa de corante
extraído, como era esperado, entretanto, esta maior carga não influencia significativamente
a produtividade. Nas maiores cargas a concentração de bixina produzida foi inferior.
63
Como esperado, os maiores níveis de vazão do ar promovem uma elevação na
massa de pó extraído e na produtividade. Entretanto, ocorreu uma pequena redução no teor
de bixina nas condições em que a maior vazão de ar foi utilizada, o que pode ser devido a
resíduos de casca de sementes produzidos pelo impacto e também pelo atrito das mesmas
no interior do equipamento nos instantes finais do experimento, quando a camada
superficial de corante já tinha sido quase totalmente extraída.
As Figuras 4.8 e 4.9, apresentadas a seguir, são relativas aos experimentos deste
planejamento fatorial. Verifica-se na Figura 4.8 que a massa do pó produzido aumenta
devido à presença do tubo draft (experimentos 1, 2, 5 e 6), e que a taxa de produção de pó
nesses experimentos é inicialmente mais alta que aquelas observadas em experimentos sem
a presença do draft, tendendo a cair com o tempo de processamento em todos os
experimentos.
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
0 50 100 150 200 250 300
Tempo (min)
Massa de pó extraída (g)
Exp. 1
Exp. 2
Exp. 3
Exp. 4
Exp. 5
Exp. 6
Exp. 7
Exp. 8
Figura 4.8: Resultados experimentais de variação da massa de pó extraída (M
P
) com o
tempo para diferentes configurações do leito de jorro.
No que se refere à produtividade, observa-se na Figura 4.9 que ocorre um
decréscimo do valor desta resposta com o tempo de processamento das sementes, o que era
esperado em função da análise feita anteriormente para a massa. No caso da configuração
com tubo draft (experimentos 1, 2, 5 e 6) ocorre uma elevação na produtividade nos
primeiros instantes dos ensaios, passando a decrescer a partir de um determinado tempo de
64
processamento. Esta diminuição na produtividade é devido a maior quantidade do corante
nas camadas mais externas e também a maior facilidade na extração nesta região.
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
0 50 100 150 200 250
Tempo (min)
Produtividade (g/Kg*h)
Exp. 1
Exp. 2
Exp. 3
Exp. 4
Exp. 5
Exp. 6
Exp. 7
Exp. 8
Figura 4.9: Resultados experimentais de variação produtividade (P
r
) com o tempo para
diferentes configurações do leito de jorro.
4.1.6 - Estudo da Influência da Altura do Tubo Draft à Base (h
t
) no Processo de
Extração Mecânica
Uma vez que a presença do tubo interno no interior do leito mostrou ser a
variável que governa a cinética de atrição, aumentando significativamente a extração
mecânica da bixina; foram realizados novos experimentos para se determinar a distância
ideal do tubo à base do leito (h
t
), tendo em vista a maximização da produção do corante.
Foram utilizados nos experimentos diferentes valores de h
t
(3cm, 4cm, 5cm, 6cm e 7cm)
mantendo-se constantes a carga de semente no leito (M
S
= 2,5 Kg), a vazão de ar (Q =
99,74 m
3
/h) e o tempo de processamento de 4 horas.
A Figura 4.10 mostra os resultados da variação da massa de pó extraído em
função do tempo para os diferentes valores de h
t
estudados. A Figura 4.11 mostra a
variação da massa total de pó produzida (M
T
) ao final de cada experimento com a distância
do tubo draft à base (h
t
).
65
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
0 50 100 150 200 250
Tempo (min)
Massa de pó extraída (g)
ht = 3cm
ht = 4cm
ht = 5cm
hjt = 6cm
ht = 7cm
Figura 4.10: Variação da massa de pó extraída (M
P
) com o tempo para diferentes alturas de
tubo draft (h
t
).
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0
h
t
(cm)
Massa total extraída (g)
Figura 4.11: Massa total produzida (M
T
) em 4 horas de ensaio para diferentes alturas de
tubo draft (h
t
).
66
Os resultados das Figuras 4.10 e 4.11 mostram que a distância do draft à base (h
t
)
que mais favorece a extração mecânica da bixina em leito de jorro é de 4cm. Em
distâncias menores que esta, a circulação das partículas na base do leito é prejudicada,
diminuindo assim a quantidade de partículas na região de jorro, fato este que reduz a
extração da bixina. Para distâncias (h
t
) maiores que esta (4cm), a quantidade de ar
canalizada na região de jorro é diminuída, reduzindo assim a velocidade das partículas e
conseqüentemente também a quantidade de corante extraído.
4.1.7 - Cinética de Concentração
A Figura 4.12 apresenta o comportamento da variação da concentração de bixina
no pó extraído (C
b
) no intervalo de tempo entre duas amostragens consecutivas;
trabalhando-se na vazão de 99,74 m
3
/h em duas configurações de leito diferentes: h
t
= 4 e
7cm.
As curvas apresentadas na Figura 4.12 podem ser tratadas como uma variação
espacial de concentração de bixina na camada superficial de corante em pó que recobre as
sementes; uma vez que a extração mecânica dessa camada superficial ocorre gradualmente
e as amostradas do pó extraído em intervalos consecutivos durante o experimento são
analisadas separadamente, como se as subcamadas que recobrem a semente de urucum
estivessem sendo analisadas individualmente.
Nota-se então, que as subcamadas externas de corante são pobres em bixina e que
a concentração dessa substância tende a aumentar até atingir um valor máximo nas
subcamadas mais internas. Essa distribuição de concentração existe porque nas
subcamadas externas a bixina é degradada por fatores externos como a luz, temperatura, e
microorganismos, já as demais subcamadas ficam protegidas desses fatores pelas
subcamadas exteriores, evitando então a degradação do corante. Cabe também ressaltar
que as impurezas das sementes estão também presentes na superfície das mesmas, o que
também reforça a análise que acaba de ser realizada.
67
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
36,0
38,0
0 50 100 150 200 250
Tempo (m in)
Teor de bixina (%)
ht = 7cm
ht = 4cm
Figura 4.12: Variação da concentração do pó extraído com o tempo para: h
t
= 4 cm e h
t
=
7cm.
4.2 - Resultados Simulados em CFD
4.2.1 - Velocidades de Jorro Mínimo Simuladas, Perfis de Concentração e Vetor
Velocidade das Partículas
Simulações da fluidodinâmica do leito por meio de CFD foram realizadas com o
propósito de verificar a influência da inserção do tubo draft na trajetória das partículas e na
distribuição de porosidade no leito, para as duas massas utilizadas no planejamento
experimental (2 e 2,5 kg), que correspondem a 17 e 19 cm de altura de leito estático
respectivamente.
As simulações foram realizadas na condição de jorro mínimo e com uma
velocidade de entrada de ar (v) maior que a velocidade de jorro mínimo (v
jm
) da
configuração sem draft.
A Figura 4.13 mostra a distribuição de fração volumétrica de sólidos para um
leito com 2 kg de sementes de urucum, em que se pode ver a condição de jorro mínimo
68
para a configuração sem o tubo draft (caso a), uma condição de velocidade maior que o
jorro mínimo (U = 1,18 U
jm
), ainda na configuração sem o draft (caso b) e por fim a
configuração com o draft (caso c) na mesma velocidade do caso anterior (b), ou seja U =
1,18 U
jm
, sendo que o valor U
jm
adotado foi do caso (a) sem o draft.
A Figura 4.14 mostra a distribuiçãol de fração volumétrica de sólidos para um
leito com 2,5 kg de sementes de urucum, em que se pode ver a condição de jorro mínimo
para a configuração sem o tubo draft (caso a), uma condição de velocidade maior que o
jorro mínimo (U = 1,11 U
jm
), ainda na configuração sem o draft (caso b) e por fim a
configuração com o draft (caso c) na mesma velocidade do caso anterior (b), ou seja U =
1,11 U
jm ,
sendo que o valor U
jm
adotado foi do caso (a) sem o draft.
a)
b)
c)
Figura 4.13: Distribuição de fração volumétrica de sólidos para M
S
=2 kg, a) U
jm
; b) U =
1,18 U
jm
sem tubo draft; c) com tubo draft, h
t
= 7 cm, na mesma velocidade do caso b.
69
a)
b)
c)
Figura 4.14: Distribuição de fração volumétrica de sólidos para o leito com M
S
= 2,5 kg, a)
U
jm
; b) U = 1,11 U
jm
sem tubo draft; c) com tubo draft, h
t
=7 cm, na mesma velocidade do
caso b.
Os resultados das figuras 4.13 e 4.14 mostram que a distribuição de
concentrações de sólidos foi significativamente influenciada pela presença do tubo draft e
que, como esperado, para uma mesma velocidade do ar obtém-se uma maior altura de fonte
na configuração com o draft.
A trajetória simulada das partículas indicada pelo vetor velocidade de sólidos,
para o carregamento de 2kg, pode ser vista na Figura 4.15, para as configurações sem draft
(a) e com tubo draft (b). Nestas simulações a velocidade de alimentação do ar foi
equivalente à U = 1,18 U
jm
, sendo que o valor usado para o U
jm
foi o da configuração sem
o draft. Observa-se nos resultados simulados por CFD (Figura 4.15) que a configuração
com tubo draft possibilita a obtenção de maiores níveis de velocidade das sementes,
favorecendo assim a extração mecânica da bixina, conforme constatado anteriormente.
O mesmo comportamento pode ser observado para o carregamento de 2,5 kg,
disposto na Figura 4.16. Nestas simulações a velocidade de alimentação do ar foi
equivalente à U = 1,11 U
jm
, sendo que o valor usado para o U
jm
foi o da configuração sem
o draft. Para o carregamento de 2,5 kg, o efeito da inserção do tubo draft é mais acentuado
e podemos perceber que a partícula é lançada sobre a seção de saída onde existe a tela,
favorecendo ainda mais a extração mecânica da bixina.
70
Figura 4.15: Vetor de velocidade das partículas (M
S
= 2 kg): a) leito de jorro convencional;
b) leito de jorro com tubo draft (h
t
= 7 cm).
Figura 4.16: Vetor de velocidade das partículas (M
S
= 2,5 kg): a) leito de jorro
convencional, b) leito de jorro com tubo draft (h
t
= 7 cm).
u(m/s) u(m/s)
u(m/s) u(m/s)
71
A Tabela 4.6 apresenta uma comparação entre a velocidade de ar para a condição
de jorro mínimo obtida por simulação e medida experimentalmente na entrada de ar do
leito de jorro (D
i
= 3,5cm), para as duas cargas de sementes de urucum utilizadas. Nas
simulações em CFD foram obtidos valores de velocidade para a condição de jorro mínimo
próximo dos valores experimentais, com erros relativos na ordem de 4%, resultados pouco
piores que aqueles obtidos com a equação de MATHUR E GISHELER (ver Tabela 4.3).
Tabela 4.6: Velocidade de jorro mínimo simulada (CFD) e experimental para a
configuração sem draft.
Experimental
(m/s)
Simulada
(m/s)
Desvio (%)
2 kg de sementes
22,90 21,97 4,1
2,5 kg de sementes
24,84 26,00 4,7
4.2.2 - Estudo da Influência da Distância do Tubo Draft à Base Via CFD
Foram realizadas simulações em CFD com objetivo de simular o leito de jorro
com o tubo draft para as diferentes distâncias do draft à base (h
t
= 3, 4, 5, 6 e 7cm) dos
experimentos da Seção 4.1.6, nos quais foram adotados: M
S =
2,5 Kg, ou seja, H
0
= 19cm e
Q = 99.74 m
3
/h.. Estas simulações visaram compreender porque a distância h
t
= 4cm
conduziu aos melhores resultados na extração da bixina, conforme constatado nos
resultados da Figura 4.11, apresentada na Seção 4.1.6 .
A malha mostrada na Figura 3.2 foi utilizada em todas as simulações e para cada
h
t
foi gerado um determinado numero de células, faces e de nós, mostrados na Tabela 4.7.
Tabela 4.7: Número de células, faces e nós gerados em cada configuração do leito de jorro.
h
t
(cm)
Células
Faces Nós
3
5683 10982 5299
4
5810 11257 5447
5
5808 11251 5443
6
5818 11264 5446
7
5816 11258 5442
72
A distribuição da fração volumétrica de urucum para todas as condições
simuladas pode ser vista na figura a seguir.
Figura 4.17: Distribuição de fração volumétrica de sólidos para o leito de jorro com o tubo
draft para as diferentes distâncias do draft à base (h
t
= 3, 4, 5, 6 e 7cm).
Os resultados simulados da Figura 4.17 mostram a diferença da distribuição de
concentração na região abaixo do tubo draft para as cinco distâncias (h
t
) utilizadas.
Destaca-se também o fato de que para a maior distância (h
t
= 7cm) os sólidos não atingem
o topo da coluna, onde existe a tela, não colidindo com a mesma. Este fato explica a menor
extração da distância h
t
= 7cm em comparação com h
t
= 3, 4, 5 ou 6 cm.
A velocidade do ar ao longo do leito de jorro para as quatro distâncias do tubo
draft à base (h
t
= 4, 5, 6 e 7 cm) pode ser vista na Figura 4.18. Através de uma análise
qualitativa não é possível perceber uma grande diferença entre as cinco distâncias
simuladas; contudo, a velocidade do ar foi ligeiramente maior em toda a região central do
leito para h
t
= 4 cm, tendendo a decrescer nessa região com o aumento de h
t
.
A velocidade das sementes de urucum para as cinco distâncias do tubo draft à
base (h
t
= 3, 4, 5, 6 e 7 cm) é apresentada na Figura 4.19.
73
Figura 4.18: Velocidade do ar ao longo do leito de jorro para h
t
= 4, 5, 6 e 7 cm.
Figura 4.19: Velocidade do urucum ao longo do leito de jorro para h
t
= 3, 4, 5, 6 e 7 cm.
74
Os resultados simulados da Figura 4.19 mostram que a configuração com a
distância do tubo à base (h
t
) igual a 4cm foi aquela que apresentou os maiores níveis de
velocidades das partículas, principalmente na região central do leito, sendo as menores
velocidades obtidas para a configuração com h
t
= 7 cm. Altas velocidades no topo da
coluna do leito favorecem muito mais a extração devido ao impacto das sementes com a
tela, posicionada entre a coluna e o cone superior do leito de jorro; fixada com o propósito
de impedir o arraste das sementes para o ciclone coletor de pó, mas que também possui um
papel importante na extração do pó.
Estes resultados das simulações em CFD explicam os resultados experimentais
apresentados nas Figura 4.11, onde a configuração com h
t
= 4 cm foi aquela que apresentou
a maior massa de corante extraído.
75
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES E SUGESTÕES
Conforme relatado na literratura e observado neste trabalho, a variação da
distância entre o tudo draft e a base do leito (h
t
), possui forte influência nas condições do
escoamento do fluido e da partícula. Quanto maior o valor de h
t
maior será a quantidade
de ar que escoa pela região anular, aumentando assim os valores de velocidade e queda de
pressão de jorro mínimo.
A taxa de corante extraído é inicialmente alta, tendendo a cair com o tempo de
processamento. No que se refere à produtividade; ocorre um decréscimo de seu valor com
o tempo.
A partir do planejamento experimental realizado para estudar o efeito da carga de
sementes, da vazão do ar e da presença do tubo draft na extração mecânica da bixina foi
possível concluir que a presença do “draft” foi a variável que teve o maior efeito em todas
as respostas estudadas (massa de pó extraído, produtividade e concentração de bixina). A
presença do tudo draft causa uma canalização do ar para a região de jorro, aumentando a
velocidade do ar e das sementes nesta região. Como essa região é onde ocorre a maior
atrição devido a mais elevada velocidade das partículas, um incremento dessa velocidade,
devido à presença do draft, favorece ainda mais a extração mecânica da bixina.
Os resultados experimentais mostraram que a distância do draft à base (h
t
) que
mais favorece a extração mecânica da bixina em leito de jorro foi de 4cm.
Os resultados da simulação por CFD confirmaram o melhor desempenho para a
configuração do leito de jorro com tubo draft e h
t
= 4 cm, demonstrando que nessa
condições as sementes de urucum possuem maiores velocidades.
Os resultados do comportamento da variação da concentração de bixina no pó
extraído em função do tempo mostraram que a concentração aumentou nos primeiros
instantes da extração, atingindo em seguida um patamar constante. Isso pode ser explicado
devido ao fato de que as subcamadas externas de corante são pobres em bixina e que a
concentração dessa substância tende a aumentar até atingir um valor máximo nas
subcamadas mais internas. Nas subcamadas externas a bixina é degradada por fatores
76
externos como a luz, temperatura, e microorganismos, além de conter impurezas, já as
demais subcamadas ficam protegidas desses fatores.
Sugestões de Trabalhos Futuros
Como sugestões para trabalhos futuros tem-se:
- Utilizar um leito de altura menor aumentando a intensidade do impacto das
sementes na tela na parte superior do leito.
- Comparar a extração mecânica da bixina em leito de jorro, com outras técnicas de
extração, tais como extração por solventes e extração supercrítica.
77
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82
APÊNDICE A
Placa de Orifício: Calibração
83
As medidas de vazão de ar na unidade experimental de extração de bixina em
leito de jorro foram realizadas utilizando-se uma placa de orifício (Marca ITUFLUX),
instalada no trecho horizontal da tubulação de diâmetro interno de 2in. As dimensões
características da placa e do conjunto completo placa e flanges são mostradas nas Figuras
A1 e A2.
Figura A1: Vista frontal e lateral da placa de orifício utilizada. (Fonte: ITUFLUX)
Figura A2: Vista lateral do conjunto placa de orifício e flanges utilizado. (Fonte:
ITUFLUX)
84
A placa foi calibrada com o auxílio de um termo-anemômetro de fio quente
(Marca VelociCalc TSI, Modelo 8357) com faixa de operação de 0 à 25 m/s e um
manômetro de tubo em U, utilizando-se água como líquido manométrico.
O perfil da velocidade do ar no interior da tubulação para uma determinada vazão
foi obtido em um trecho reto da tubulação com diâmetro interno de 3in de onde foram
coletados com o auxílio do anemômetro cinco pontos de velocidade ao longo do interior da
tubulação. A queda de pressão fornecida pela placa de orifício foi obtida em um
manômetro de tubo em U, acoplado nas tomadas de pressão dos flanges da placa. Os perfis
de velocidade, junto com a perda de carga fornecida pela placa, levantados para diversas
vazões de ar são mostrados na Tabela A1.
Tabela A1: Perfis de velocidade e queda de pressão fornecida pela placa de orifício.
Velocidade (m/s)
PONTO
7 cm 5,3 cm 3,9 cm 2,1 cm 0,7 cm
∆P (cmH
2
0)
1 7,05 6,65 6,10 4,55 4,08 25,80
2 6,95 6,50 5,85 4,35 3,80 24,10
3 6,30 6,20 5,65 4,05 3,61 22,60
4 6,55 5,95 5,50 3,90 3,65 21,80
5 6,05 5,70 5,15 4,35 3,60 19,80
6 5,75 5,50 5,15 4,13 3,67 18,10
7 5,30 5,25 4,70 3,35 3,08 16,40
8 5,13 5,06 4,39 3,55 2,95 14,60
9 5,04 4,65 4,18 2,77 3,05 13,30
10 4,76 4,49 3,99 2,80 2,82 12,00
11 4,45 4,07 3,68 2,67 2,57 10,20
12 3,60 3,40 3,15 2,60 2,05 7,60
13 2,08 2,13 2,08 1,71 1,68 2,80
14 1,13 1,07 1,08 1,27 1,43 1,00
Com os valores de velocidade pontuais e suas posições ao longo da tubulação de
coletas da Tabela A1, foi realizada um ajuste para se obter o perfil ou função velocidade. A
partir da função velocidade e da área interna do tubo, foi possível obter a vazão de ar
fornecida pelo soprador utilizando-se a Equação1.
( ) ( )
Q V x dA x
=
∫
(1)
As funções velocidade ajustadas e os valores de vazões obtidos pela integração da
Equação (1) são mostrados na Tabela A2.
85
Tabela A2: Funções velocidade ajustadas e vazão de ar fornecida pelo soprador
Ajuste da função velocidade:
v = Ax+B PONTO
A B R
2
Vazão Q (m3/h)
1 0,5104 5,7880 0,9765 95,67
2 0,5360 5,5972 0,9827 92,37
3 0,4779 5,2575 0,9554 86,85
4 0,3948 5,0489 0,9879 85,98
5 0,3506 4,9101 0,9751 83,62
6 0,4625 4,4164 0,9542 81,43
7 0,3706 4,2901 0,9733 72,95
8 0,3742 4,0128 0,9436 70,93
9 0,3545 3,8429 0,9628 66,26
10 0,3282 3,5536 0,9786 63,46
11 0,2464 3,0090 0,9748 58,69
12 0,0776 1,9515 0,8700 49,80
13 -0,0505 1,1808 0,8200 32,57
14 -0,0307 0,9870 0,7950 20,12
O coeficiente “K” da placa de orifício foi obtido através da Equação (2), que é
uma simplificação da Equação de Bernoulli, pelo ajuste dos valores experimentais de
vazão de ar fornecida pelo soprador e de queda de pressão produzida pela placa de orifício
à essa equação, Figura A3.
PKQ ∆= (2)
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000
∆
∆∆
∆
.P (cmH20)
Vazão Real (m3/h)
Figura A3: Ajuste dos valores de vazão de ar e queda de pressão fornecida pela placa a à
Equação 2.
86
O valor para o coeficiente “K” da placa de orifício utilizada na unidade
experimental encontrado pelo procedimento descrito acima foi de
(
)
hOcmHmK ⋅=
2/1
2
3
/56,18 , com 9975,0
2
=R .
87
APÊNDICE B
Calibração da Instrumentação de Aquisição de Dados
88
A instrumentação de aquisição de dados, composta por um transdutor de pressão
do tipo sonda (Marca GEMS SENSORS – Modelo K053266) e um transdutor de pressão
diferencial com de escala 25 inH
2
0 (Marca COLE PARMER – Modelo PTX500), foi
calibrada utilizando-se dois manômetros de tubo em U; um acoplado à base do leito de
jorro com umas das extremidades aberta o e outro acoplado aos flanges da placa de orifício
para medidas de queda de pressão na placa e para a obtenção da vazão de ar na tubulação
pela Equação (2). Os sinais dos transdutores de pressão foram convertidos para a forma
digital em termos de voltagem pela placa de aquisição de dados da unidade experimental
(Marca NATIONAL INSTRUMENTS – PCI-6021E), e processados com o auxílio do
software LabVIEW
TM
,versão 8.2.1.
Para a calibração dos instrumentos foram realizadas medidas de forma simultânea
de queda de pressão na placa de orifício e na base do leito de jorro para várias vazões de ar,
coletando-se dados de pressão nos manômetros e lendo-se ao mesmo tempo os valores das
respectivas voltagens dos instrumentos no software LabVIEW
TM
, como mostra a Tabela
B1 a seguir.
Tabela B1: Dados experimentais da calibração da instrumentação de aquisição de dados.
Transdutor Diferencial
(Placa de Orifício)
Transdutor Tipo Sonda
(Leito)
Vazão
(m3/h)
Voltagem
(Volts)
Pressão
(cmH
2
O)
Voltagem
(Volts)
Pressão
(cmH
2
O)
0,00 1,91 0,00 1,85
0,00
15,53 2,00 0,70 1,91
4,10
24,90 2,10 1,80 1,96
7,50
34,22 2,30 3,40 2,09
17,00
42,32 2,51 5,20 2,17
23,10
56,90 3,02 9,40 2,30
32,00
70,19 3,61 14,30 2,35
35,50
78,96 4,08 18,10 2,40
39,10
90,55 4,67 23,80 2,44
41,20
94,82 4,97 26,10 2,47
43,70
96,97 5,10 27,30 2,47
44,00
97,68 5,16 27,70 2,48
44,30
A partir dos valores mostrados na Tabela B1, foi feito um ajuste linear dos dados,
Figuras B1 e B2, encontrando-se uma função que converte os sinais de voltagem lidos
pelos transdutores em termos de pressão, sendo possível então, obter a queda de pressão na
89
placa e no leito de jorro digitalmente no software LabVIEW
TM
, sem a necessidade do uso
de manômentros.
0
5
10
15
20
25
30
1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5
Voltagem (Volts)
∆
∆
∆
∆
.P (cmH
2
O)
Figura B1: Ajuste linear dos valores de queda de pressão fornecida pelo manômetro e da
voltagem fornecida pelo transdutor diferencial.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7
Voltagem (Volts)
∆
∆
∆
∆
.P (cmH
2
O)
Figura B2: Ajuste linear dos valores de queda de pressão fornecida pelo manômetro e da
voltagem fornecida pelo transdutor do tipo sonda.
As funções encontradas pelo procedimento descrito acima para o transdutor
diferencial, acoplado à placa de orifício e para o transdutor do tipo sonda, acoplado à base
do leito de jorro, foram respectivamente:
90
231,165115,8
−
⋅
=
∆
VP (3)
9,131204,71
−
⋅
=
∆
VP (4)
com valores de coeficientes de correlação linear ao quadrado do ajuste dados
experimentais da ordem de 9997,0
2
=R e 9999,0
2
=R .
A Equação (3) deve ser inserida na Equação (2), uma vez que a finalidade da placa
de orifício e a obtenção da vazão de ar na unidade, obtendo-se então a Equação 5.
231,165115,856,18 −⋅= VQ (5)
A implementação da Equação (5) no software LabVIEW
TM
permite a leitura
digital da vazão de ar fornecida pelo soprador.
91
APÊNDICE C
Resultados Experimentais da Caracterização Física das
Sementes
92
Tabela C1: Resultados experimentais da caracterização física das sementes
Amostra
Número
de
sementes
Massa do
Picnômetro
(g)
Massa total do
Picnômetro +
Hexano
V inicial
Hexano
(ml)
Massa de
sementes
(g)
Massa total
do
Pcinometro +
Hexano +
sementes
Volume
final
Hexano
(ml)
Volume das
sementes
(ml)
Densidade das
sementes
(g/ml)
Volume
médio das
sementes
(ml)
Diâmetro
da esfera de
mesmo Vol.
(mm)
1 40 37,671 73,448 54,290 1,212 73,977 53,253 1,036 1,169 0,0259 3,6713
2 41 38,400 81,500 65,402 1,285 82,130 64,408 0,994 1,293 0,0242 3,5908
3 42 37,671 73,501 54,370 1,248 74,014 53,255 1,115 1,119 0,0266 3,7016
4 43 38,400 81,501 65,404 1,252 82,118 64,440 0,964 1,299 0,0224 3,4979
5 44 37,671 73,395 54,209 1,356 73,998 53,067 1,143 1,187 0,0260 3,6741
6 45 38,400 81,497 65,398 1,358 82,143 64,317 1,080 1,257 0,0240 3,5793
7 46 37,671 73,343 54,131 1,412 74,032 53,033 1,097 1,287 0,0239 3,5713
8 47 38,400 81,480 65,372 1,465 82,245 64,310 1,062 1,379 0,0226 3,5078
9 48 37,671 73,366 54,165 1,374 74,030 53,088 1,077 1,275 0,0224 3,4998
10 49 38,400 81,500 65,402 1,449 82,284 64,393 1,009 1,436 0,0206 3,4008
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