Modelagem matemática e análise da hidratação de grãos de ervilha

Mathematical modeling and analysis of pea grains hydration

Resumos

A mathematical model for estimating the water concentration in pea grains during hydration was developed from a transient water mass balance inside a grain of pea considering a constant volume and spherical geometry. This model is represented by an ordinary first order differential equation and has two parameters: the mass transfer coefficient (Ks) and the equilibrium concentration (ρAeq). Both parameters have been numerically fitted using the minimization of the sum-of-squared residuals criterion and the hydration experimental data for pea grains at 20, 30, 40, 50, and 60 ºC. At all temperatures, the model represented the major trends of the hydration process with standard deviations smaller than 5%. For the model fitted parameters, it was observed that the mass transfer coefficient behaved according to Arrhenius's equation in relation to the temperature variation, Ks = 182.8.exp(-3521/T) while the equilibrium concentration remained practically constant showing an average value of ρAeq = 0.533 g/cm³. Using the Ks Arrhenius's correlation and assuming the average value of ρAeq, a generalized model was obtained, which resulted in a standard deviation slightly greater than 7% for all the data values. Additionally, it was observed that the pea grains density remains practically constant along the hydration process and does not depend on the temperature.

hydration temperature; water content; equilibrium; mass transfer coefficient

Modelagem matemática e análise da hidratação de grãos de ervilha

Mathematical modeling and analysis of pea grains hydration

Edilson Sadayuki Omoto; Cid Marcos Gonçalves Andrade; Regina Maria Matos Jorge; Mônica Ronobo Coutinho; Paulo Roberto Paraíso; Luiz Mario de Matos Jorge^*

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PEQ, Universidade Estadual de Maringá, Av. Colombo, 5790, Bloco E46, Sala 9, CEP 87020-900, Maringá - PR, Brasil, E-mail: [e-mail]

RESUMO

Desenvolveu-se um modelo matemático para estimar a concentração de água em grãos de ervilha durante sua hidratação, o qual foi obtido a partir de um balanço de massa em regime transiente, considerando-se volume constante e geometria esférica. Este modelo é representado por uma equação diferencial ordinária de primeira ordem e possui dois parâmetros: o coeficiente de transferência de massa (K_s) e a concentração de equilíbrio (ρ_Aeq). Ambos foram ajustados numericamente tomando-se como critério a minimização da soma dos resíduos quadráticos, utilizando-se dados experimentais de hidratação de grãos de ervilha a 20, 30, 40, 50 e 60 ºC. Em todas as temperaturas, o modelo representou as principais tendências do processo de hidratação com desvios inferiores a 5%. Foi observado que K_s apresentou um comportamento segundo a equação de Arrhenius frente à temperatura, K_s = 182,8 exp (-3521/T), enquanto ρ_Aeq permaneceu praticamente constante, obtendo-se um valor médio de 0,53 g.mL^-1. Utilizando-se a correlação de K_s e assumindo-se o valor de ρ_Aeq médio, obteve-se um modelo generalizado, o qual apresentou para todos os dados um desvio ligeiramente superior a 7%. Adicionalmente, constatou-se que a densidade dos grãos de ervilha permaneceu praticamente constante ao longo da hidratação independentemente da temperatura.

Palavras-chave: temperatura de hidratação; concentração de água; equilíbrio; coeficiente de transferência de massa.

ABSTRACT

A mathematical model for estimating the water concentration in pea grains during hydration was developed from a transient water mass balance inside a grain of pea considering a constant volume and spherical geometry. This model is represented by an ordinary first order differential equation and has two parameters: the mass transfer coefficient (K_s) and the equilibrium concentration (ρ_Aeq). Both parameters have been numerically fitted using the minimization of the sum-of-squared residuals criterion and the hydration experimental data for pea grains at 20, 30, 40, 50, and 60 ºC. At all temperatures, the model represented the major trends of the hydration process with standard deviations smaller than 5%. For the model fitted parameters, it was observed that the mass transfer coefficient behaved according to Arrhenius's equation in relation to the temperature variation, K_s = 182.8.exp(-3521/T) while the equilibrium concentration remained practically constant showing an average value of ρ_Aeq = 0.533 g/cm³. Using the Ks Arrhenius's correlation and assuming the average value of ρ_Aeq, a generalized model was obtained, which resulted in a standard deviation slightly greater than 7% for all the data values. Additionally, it was observed that the pea grains density remains practically constant along the hydration process and does not depend on the temperature.

Keywords: hydration temperature; water content; equilibrium; mass transfer coefficient.

1 Introdução

A ervilha (Pisum sativum) é um alimento muito consumido na forma fresca ou na industrializada como alimento enlatado. Sua constituição química é de 6,7% de proteína, 0,5% de óleo e 13,9% carboidratos, sendo uma importante fonte de fibras e proteínas (SEHIRALI, 1998).

O processamento da ervilha requer grãos com propriedades físicas bem definidas, o que está diretamente relacionado com o seu teor de umidade inicial (YALÇIN, 2007), necessitando, na maioria das vezes, de um pré-tratamento dos grãos antes de serem processados, sendo, o mais comum, a hidratação dos grãos, a qual pode ser realizada de diversas maneiras, destacando-se: a) imersão de grãos em água (BECKER; SALLANS, 1955); b) exposição dos grãos a uma atmosfera de vapor saturado (AGUERRE; SUAREZ; VIOLLAZ, 1982; NOVAIS, 1990); e c) percolação de um leito de grãos por ar úmido (MANTOVANI, 1976).

O processo de hidratação de grãos também está presente na caracterização da qualidade fisiológica do grão (ROCHA et al.,1984; SOUZA; JULIO FILHO; NOGUEIRA, 1996), na extração de algum constituinte de interesse, no cozimento (WILLIANS; NAKOUL; SINGH, 1983; DESPANDE; CHERYAN, 1986; THANOS, 1998), na redução ou eliminação de fatores antinutricionais existentes nos grãos (KHOKAR; CHANHAN, 1986a) e na melhora da digestibilidade (GEERNANI; THEOPHILUS, 1980; KHOKAR; CHANHAN, 1986b). Em todos estes casos há a necessidade de grãos com teores de umidade específicos.

A absorção de água pela ervilha depende de vários fatores, dentre os quais, podem ser destacados: a composição química dos grãos, a permeabilidade, a disponibilidade de água nos estados líquido e gasoso (MAYER; MAYBER, 1978), a temperatura de hidratação (WAGGONER; PARLANGE, 1976; MURPHY; NOLAND, 1982), a área de contato entre o grão e o substrato (CALERO; WEST; HINSON, 1981; SHIEH; MCDONALD, 1982; LEDEUNF, 1989) e o teor inicial de água das sementes (HOBBS; OBENDORF, 1972; VERTUCCI; LEOPOLD, 1987). Uma vez que a ervilha pode ser utilizada em diferentes graus de hidratação, há um grande interesse em caracterizar a dinâmica deste processo a fim de encontrar as melhores condições de temperatura e de tempo de embebição para alcançar o teor de umidade desejado. Para isso, é necessário desenvolver um modelo que contemple as principais características do processo. Os modelos matemáticos podem ser divididos em dois grupos principais: empíricos e fenomenológicos.

Os modelos empíricos geralmente são obtidos a partir de simples correlações matemáticas dos dados experimentais (SINGH; KULSHRESTHA, 1987; PELEG, 1988; PAN; TANGRATANAVALEE, 2003) e os seus parâmetros, normalmente, não possuem significado físico. Por sua vez, os modelos fenomenológicos consideram as etapas elementares de transferência de massa (HSU, 1983a,b; COUTINHO et al., 2005) e os seus parâmetros, frequentemente, apresentam significado físico. Dentre os parâmetros com significado físico frequentemente envolvidos, podem-se citar a concentração de equilíbrio (ρ_Aeq) e o coeficiente de transferência de massa por convecção (K_s).

Neste contexto, pretende-se desenvolver um modelo fenomenológico de parâmetros concentrados e validá-lo frente às medidas de concentração de água nos grãos de ervilha efetuadas em laboratório ao longo da hidratação por imersão em água a várias temperaturas. Adicionalmente, deseja-se avaliar a influência da temperatura sobre o tempo de hidratação, bem como sobre os parâmetros do modelo.

2 Material e métodos

2.1 Equipamento utilizado

O equipamento utilizado neste trabalho consiste de um banho termostático com controle de temperatura, Modelo MA184, conforme ilustrado na Figura 1, dentro do qual foi colocada uma fôrma retangular de alumínio de 30 cm de comprimento, 18 cm de largura e 5 cm de altura. No interior da fôrma, encontravam-se dispostos água e grãos de ervilha.

2.2 Procedimento experimental

Os experimentos foram realizados adequando-se a metodologia apresentada por Coutinho et al. (2005), conforme sequência detalhada abaixo:

1) Regulou-se o banho termostático para operar a 20, 30, 40, 50 e 60 ºC e aguardou-se até que este alcançasse a condição de regime permanente;

2) Colocou-se a fôrma sobre o banho e acrescentaram-se aproximadamente 1000 mL de água na mesma temperatura do banho;

3) Adicionaram-se aproximadamente 200 g de ervilha lisa à água no interior da fôrma, cuja umidade inicial era em torno de 15% (b.u.);

4) Retirou-se uma amostra de aproximadamente 20 g de ervilha do recipiente, em intervalos de tempo pré-determinados: 1, 5, 10, 20, 30, 50, 70, 90, 120, 150 e 180 minutos;

5) Espalhou-se cada amostra de grãos sobre papel toalha para retirar a água superficial;

6) Utilizou-se uma parte da amostra para avaliar a densidade do grão de ervilha (por picnometria), enquanto a outra parte destinou-se à determinação da umidade em base úmida (X_bu), de acordo com a Equação 1, medindo-se o peso da amostra de ervilhas antes (MU) e depois (MS) da secagem pelo método clássico de secagem em estufa a 105 ºC durante 24 horas ou até peso constante;

7) Calculou-se a concentração mássica de água na ervilha (ρ_A) a partir da Equação 2, conhecendo-se X_bu e a densidade dos grãos de ervilha (ρ_erv).

2.3 Modelagem matemática

Partindo-se de um balanço de massa em regime transiente para a água contida na ervilha e, considerando-se a concentração de água uniforme dentro do grão, obtém-se a Equação 3, a qual é a base do modelo matemático desenvolvido. Esta equação representa a variação da massa de água no grão (ρ_AV) com o tempo (t). Sendo A a área externa do grão; V, o volume do grão; e N_A o fluxo mássico de água (g.cm^-2 min^-1).

Considerando-se o volume constante, a geometria esférica do grão com raio r_o, definindo-se o fluxo mássico como sendo N_A = K_s (ρ_eq - ρ_A) e fazendo-se essas substituições na Equação 3, chega-se à forma final do modelo descrita pela Equação 4. Este modelo possui dois parâmetros: o coeficiente de transferência de massa, K_s, (cm.min^-1) e a concentração de água no grão no equilíbrio, ρ_eq, (g.cm^-3) e pode ser resolvido admitindo-se como condição inicial que, no início da hidratação, t = 0, a concentração de água no grão é uniforme e conhecida, ρ_A = ρ_{A o.}

2.4 Solução numérica e ajuste dos parâmetros do modelo

Tanto a solução numérica como o ajuste dos parâmetros do modelo (K_s e ρ_eq) foram efetuados no MATLAB e estão representados no fluxograma contido na Figura 2. O modelo (Equação 4) foi resolvido numericamente utilizando-se a rotina ode45, enquanto o ajuste dos dois parâmetros (K_s e ρ_eq) foi efetuado a partir da minimização da função objetivo (Φ²) definida pela Equação 5, utilizando-se a rotina fminsearch. Esta função objetivo representa a somatória das diferenças entre as concentrações de água nos grãos de ervilha medidas experimentalmente ao longo da hidratação, ρ_A.exp, em n instantes de tempo e as concentrações da água na ervilha calculadas pelo modelo, ρ_Acal, para uma dada temperatura: 20, 30, 40, 50 e 60 ºC.

3 Resultados e discussão

3.1 Comportamento de ρ _erv ao longo da hidratação

Conforme se pode constatar pela análise da Figura 3, ao longo da hidratação, o teor de umidade em base úmida (X_bu) vai aumentando, entretanto, a densidade do grão (ρ_erv) permanece praticamente constante, com um valor médio de 1 g/cm³. Este resultado concorda com o trabalho de Yalçin, Ozarslan e Akbas (2006) e sugere que a densidade dos sólidos constituintes da ervilha deve ser próxima à da água.

3.2 Simulação e ajuste dos parâmetros do modelo

Os valores dos parâmetros do modelo, ajustados individualmente para cada temperatura de hidratação, juntamente com o seu desvio quadrático acumulado (Φ²), estão apresentados na Tabela 1.

Os resultados das simulações do modelo frente aos dados experimentais estão apresentados na Figura 4, indicando que tanto o modelo proposto como as técnicas utilizadas na solução numérica e o ajuste dos parâmetros são adequados.

Inspecionando-se a Figura 5, pode-se obter uma visão global dos desvios do modelo frente aos dados experimentais para todas as temperaturas de hidratação. Constata-se que o modelo apresentou um bom ajuste, sendo capaz de descrever o processo de hidratação com um desvio máximo de ± 5%.

3.3 Influência da temperatura sobre os parâmetros do modelo

A partir da análise da Tabela 1, pode-se constatar que K_s apresenta um comportamento crescente em função da temperatura, T, o qual pôde ser bem correlacionado a partir do ajuste de uma equação matemática similar à de Arrhenius, Equação 6.

Os parâmetros B, e E' foram ajustados por simples regressão linear da Equação 7, que corresponde à forma linearizada da Equação 6, obtendo-se assim valores de B e E' correspondentes a 182,80 (cm/min) e 3521 (K^-1), respectivamente, com um coeficiente de correlação de 0,96, conforme apresentado na Figura 6.

Na Figura 7, pode-se observar tanto o comportamento de K_s em função da temperatura como o comportamento da Equação 6 com os parâmetros ajustados, reafirmando que o modelo utilizado para representar K_s em função da temperatura é adequado.

Além da temperatura, o tipo de grão também exerce influência significativa sobre K_s. Conforme se pode observar na Tabela 2, os valores K_s obtidos por Coutinho (2006) para a hidratação de grãos de soja são significativamente superiores àqueles obtidos neste trabalho com grãos de ervilha. Tanto o valor de K_s analisado individualmente para cada grão como a diferença entre os valores de K_s da soja e da ervilha aumentam com a elevação da temperatura.

Apesar da importância do conhecimento do K_s para o projeto, simulação, otimização e análise de processos envolvendo a hidratação de grãos, há poucos trabalhos apresentados em literatura envolvendo a determinação desta propriedade de transporte, apontando para a necessidade de ampliar os estudos sobre este assunto.

Conforme se pode observar pela inspeção da Figura 8, a temperatura não exerceu nenhuma influência significativa sobre a concentração de equilíbrio, ρ_Aeq. Desta forma, admitiu-se um valor constante para este parâmetro igual a 0,53 g/cm³, o qual foi obtido a partir da média aritmética dos valores encontrados, Tabela 1, na faixa das temperaturas exploradas.

A qualidade da estimativa para o valor médio da umidade de equilíbrio (0,53 g/cm³) pôde ser comprovada efetuando-se a comparação destes resultados com os de literatura. Krokida e Marinos-kouris (2003) efetuaram diversos ensaios experimentais de hidratação de grãos de ervilha a 40 e 60 ºC, conduzindo a valores de ρ_Aeq de 0,54 e 0,58 g/cm³, respectivamente, cujo valor médio é de 0,56 g/cm³, o qual é apenas 5,4% superior ao valor médio obtido neste trabalho.

3.4 Influência da temperatura sobre t _eq

Considerando-se que tanto ρΑ_eq como K_s sejam constantes para uma dada temperatura de hidratação, pode-se integrar a Equação 4, obtendo-se a Equação 8.

Definindo-se o tempo para os grãos de ervilha alcançarem a condição de equilíbrio (t_eq) como sendo aquele para o qual a umidade em que os grãos atingem 99% da umidade de equilíbrio (ρ_A = 0,99 ρ_Aeq), pode-se reescrever a Equação 8 na forma da Equação 9.

Na Figura 9, pode-se observar o comportamento de t_eq em função da temperatura, obtido a partir da Equação 7, admitindo-se ρ_Aeq = 0,53 e K_s = 182,80 exp(-3521/T). Observa-se que o aumento da temperatura provoca uma queda exponencial no tempo de equilíbrio, o qual varia de 450 a 150 minutos para temperaturas entre 20 e 60 ºC.

Klamczynska, Czuchajowska e Baik (2001) efetuaram prolongados ensaios de hidratação a temperatura ambiente e constataram que as ervilhas lisas demoram, no mínimo, 8 horas para alcançarem as condições de equilíbrio. Admitindo-se a temperatura ambiente de 20 ºC na Figura 9, encontra-se o valor de 7,5 horas para t_eq, o qual é 6,5% inferior ao valor apontado pelos autores acima, reafirmando a validade da Equação 9.

3.5 Modelo generalizado para hidratação

O modelo generalizado corresponde à Equação 4 utilizando-se a correlação de K_s em função da temperatura (Equação 6) e admitindo-se um valor médio para ρ_Aeq (0,53 g.mL^-1). A simulação deste modelo é capaz de estimar a concentração de água na ervilha em diferentes condições de temperatura e de tempo da hidratação. A Figura 10 ilustra os resultados das simulações do modelo generalizado em função do tempo e da temperatura, sendo que a superfície esboçada na figura representa o campo de simulação do modelo, enquanto os pontos discretos correspondem aos valores experimentais obtidos neste trabalho. Observa-se que o modelo generalizado representou satisfatoriamente as principais tendências do processo de hidratação, apresentando um resíduo quadrático acumulado (φ²) para todas as temperaturas de 0,0119 g²/cm⁶.

A qualidade das previsões do modelo generalizado também pode ser observada na Figura 11, revelando que os desvios do modelo generalizado, frente a todos os dados experimentais, foram de, no máximo, 7%. Este valor é um pouco superior àquele obtido a partir dos ajustes individuais do modelo (5%), justificando a utilização do modelo generalizado como ferramenta preliminar para a estimativa de tempos de hidratação necessários para alcançar um certo teor de umidade numa dada temperatura, na faixa de condições experimentais explorada.

4 Conclusões

A densidade dos grãos de ervilha é praticamente constante ao longo da hidratação e possui um valor médio de 1 g/cm³.

O processo de hidratação foi representado satisfatoriamente pelo modelo matemático desenvolvido, apresentando um desvio máximo de 5%.

Os valores do coeficiente de transferência de massa por convecção, K_s, variaram entre 1 x 10^-3 e 6 x 10^-3 cm.min^-1 na faixa de temperaturas de hidratação entre 20 e 60 ºC.

O parâmetro K_s pode ser correlacionado com a temperatura a partir do ajuste de uma equação similar à de Arrhenius, K_s = B.exp(-E'/T), obtendo-se B = 182,8 cm.min^-1 e E' = 3521 K^-1 com um coeficiente de correlação de 0,96.

A temperatura não exerce influência significativa sobre a concentração de equilíbrio da água nos grãos de ervilha, ρ_Aeq, na faixa de temperaturas explorada, obtendo-se um valor médio de 0,53 g/cm³.

O tempo no qual os grãos de ervilha atingem a condição de equilíbrio, t_eq, decai acentuadamente com o aumento da temperatura, variando entre 450 e 150 minutos na faixa de temperaturas de 20 e 60 ºC, respectivamente.

O modelo generalizado representou satisfatoriamente as principais tendências do processo de hidratação com um desvio máximo de 7%, podendo ser utilizado como ferramenta preliminar para a estimativa de tempos de hidratação necessários para alcançar um certo teor de umidade numa dada temperatura, na faixa de condições experimentais explorada, sem a necessidade de ajuste de nenhum parâmetro.

Recebido para publicação em 23/3/2007

Aceito para publicação em 3/1/2009 (002416)

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A quem a correspondência deve ser enviada

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  27 Abr 2009
• Data do Fascículo
  Mar 2009

Histórico

• Aceito
  03 Jan 2009
• Recebido
  23 Mar 2007