Cinética de secagem e modelagem das propriedades físicas de grãos de feijão

Common bean is one of the most produced and consumed legumes worldwide. The nutritional quality of this food has made it a fundamental constituent in the diet of thousands of people every day. However, the losses observed during the productive chain of this culture show that the equipment and operations are dimensioned/conducted inefficiently. Over the years, technological advances in the food industry have required up-to-date data on the engineering properties of agricultural products, aiming to optimize processes and reduce losses at all stages of the agricultural production chain. Although the determination of the properties of several products is available in the literature, the genetic improvement and advancement of cultivars have made the industry optimize its processes based on obsolete data, which no longer represent the characteristics of the material. Given the above, this study aimed to determine and model the geometric properties (circularity, sphericity, geometric diameter, projected area, surface area, volume, and surface-to-volume ratio), physical (real and apparent specific gravity, porosity, and 1000-grain mass), aerodynamics (terminal velocity and drag coefficient), and thermal (specific heat, thermal conductivity, and thermal diffusivity) of common bean grain as a function of water content. Furthermore, the drying kinetics and thermodynamic properties (enthalpy, entropy, and Gibbs free energy) of drying were obtained for different temperatures. This comprehensive determination of the properties and behavior of bean grains during drying will be of great use not only for industry but for all areas that require specific knowledge of the evaluated properties. To determine the aforementioned properties, except for drying kinetics and thermodynamic properties, bean grains with an initial water content of 0.41 (decimal, d.b.) were dried at 45 ± 2 °C to different levels of water content. The properties were obtained experimentally, and regression models were adjusted to represent the variation of properties as a function of water content. To obtain the geometric properties, an algorithm in the Phyton language was developed to obtain the characteristic dimensions of the grains from digital images. The results were compared to the traditional method, where measurements are obtained by a digital caliper. To determine the drying kinetics and thermodynamic properties of the drying of bean grains, the grains were subjected to drying at different temperatures (40, 50, 60, 70, and 80 ± 2 °C). The experimental data were adjusted to literature models commonly used to describe the drying process of agricultural products. In addition, a CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis was carried out to demonstrate the feasibility of computational modeling in predicting the drying process. The results obtained in this study showed that the use of digital images to obtain the characteristic dimensions of grains was highly effective. Among the geometric properties, projected area and volume showed the greatest variations during drying. The Araujo-Copace model satisfactorily described the volumetric contraction of the grains. Among the physical, aerodynamic, and thermal properties, the 1000-grain weight, the drag coefficient, and the thermal conductivity showed the greatest variations during the drying process. The modified Henderson and Pabis model satisfactorily represented the drying kinetics of bean grains at all evaluated drying temperatures. CFD analysis proved to be a powerful tool for predicting the drying process, with low errors compared to experimental data. The effective diffusion coefficient and the thermodynamic properties of drying showed values consistent with those found for other agricultural products. Keywords: Moisture diffusivity. Numerical modeling. Phaseolus vulgaris. Size and shape. Volumetric contraction.LO feijão é uma das leguminosas mais produzidas e consumidas em todo mundo. A qualidade nutricional desse alimento, o tornou constituinte fundamental na dieta de milhares de pessoas todos os dias. No entanto, as perdas observadas durante a cadeia produtiva dessa cultura, mostram que os equipamentos e operações são dimensionados/conduzidas de forma ineficiente. Ao longo dos anos, o avanço tecnológico da indústria de alimentos tem exigido dados atualizados sobre as propriedades de engenharia dos produtos agrícolas, com o objetivo de otimizar os processos e reduzir perdas em todos os passos da cadeia produtiva agrícola. Embora a determinação das propriedades de vários produtos esteja disponível na literatura, o melhoramento genético e avanço de cultivares tem feito com que a indústria otimize seus processos baseando-se em dados obsoletos, que não mais representam as características do material. Diante do exposto, este estudo objetivou determinar e modelar as propriedades geométricas (circularidade, esfericidade, diâmetro geométrico, área projetada, área superficial, volume e relação superfície-volume), físicas (massa especifica real e aparente, porosidade e massa de 1000-grãos), aerodinâmicas (velocidade terminal e coeficiente de arrasto), e térmicas (calor específico, condutividade térmica e difusividade térmica) de grão de feijão comum em função do teor de água. Além disso, a cinética de secagem e as propriedades termodinâmicas (entalpia, entropia e energia livre de Gibbs) da secagem foram obtidas para diferentes temperaturas. Essa determinação abrangente das propriedades e comportamento dos grãos de feijão durante a secagem será de grande utilidade não apenas para indústria, mas para todas as áreas que exijam o conhecimento específico das propriedades avaliadas. Para determinação das propriedades supracitadas, com exceção da cinética de secagem e propriedades termodinâmicas, grãos de feijão com teor de água inicial de 0,41 (decimal, d.b.) foram secos à 45 ± 2 °C até diferentes níveis de teor de água. As propriedades foram obtidas experimentalmente e modelos de regressão foram ajustados para representar a variação das propriedades em função do teor de água. Para obtenção das propriedades geométricas, um algoritmo em linguagem Phyton foi desenvolvido para obter as dimensões características dos grãos a partir de imagens digitais. Os resultados foram comparados ao método tradicional, onde as medições são obtidas por um paquímetro digital. Para determinação da cinética de secagem e das propriedades termodinâmicas da secagem dos grãos de feijão, os grãos foram submetidos à secagem em diferentes temperaturas (40, 50, 60, 70 e 80 ± 2 °C). Os dados experimentais foram ajustados à modelos da literatura comumente utilizados para descrever o processo de secagem de produtos agrícolas. Além disso, uma análise em CFD (Computational Fluid Dynamics) foi realizada para demonstrar a viabilidade da modelagem computacional na previsão do processo de secagem. Os resultados obtidos neste estudo mostraram que o uso de imagens digitais para obtenção das dimensões características dos grãos foi altamente eficaz. Dentre as propriedades geométricas, área projetada e volume apresentaram as maiores variações durante a secagem. O modelo Araujo-Copace descreveu satisfatoriamente a contração volumétrica dos grãos. Dentre as propriedades físicas, aerodinâmicas e térmicas, o peso de 1000-grãos, o coeficiente de arrasto e a condutividade térmica apresentaram as maiores variações durante o processo de secagem. O modelo de Henderson e Pabis modificado representou satisfatoriamente a cinética de secagem dos grãos de feijão em todas as temperaturas de secagem avaliadas. A análise em CFD se mostrou uma poderosa ferramenta para predição do processo de secagem, com erros baixos se comparado aos dados experimentais. O coeficiente de difusão efetivo e as propriedades termodinâmicas da secagem apresentaram valores consistentes com os encontrados para demais produtos agrícolas. Palavras-chave: Difusividade de umidade. Modelagem numérica. Phaseolus vulgaris. Tamanho e forma. Contração volumétrica.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNP