Modelagem e investigação experimental dos processos de secagem e extração de erva-mate (Ilex paraguariensis)

Abstract

Resumo: Os principais objetivos deste trabalho são investigar experimentalmente e teoricamente o processo de secagem de erva-mate (Ilex paraguariensis) e a operação de extração de compostos solúveis de folhas desidratadas desta planta. No que se refere à secagem, a investigação é focada no desenvolvimento de um sensor capaz de inferir a umidade das folhas na descarga de secadores de esteira contínuos, ou seja, a variável controlada do processo, de modo a permitir a aplicação de estratégias de controle adequadas para esta importante variável operacional. Um modelo empírico, baseado em leituras dinâmicas de temperatura da fase sólida do secador, é aplicado para estimar a umidade das folhas de erva-mate. A estratégia de controle inferencial envolve um controlador proporcional-integral-derivativo (PID), o qual manipula a velocidade da esteira para manter a umidade de descarga das folhas entre 0,024 e 0 034 (base seca). Um conjunto de aproximadamente 2000 resultados experimentais de temperatura e umidade foi empregado no ajuste dos parâmetros do modelo de inferência. Estes dados foram obtidos a partir de ensaios em secadores operando em batelada, onde folhas de erva-mate com umidades na faixa de 0,14 a 1,70 (base seca) eram submetidas à secagem com ar quente a temperaturas entre 70 e 120°C por i ntervalos de até 9600 s. Respostas de temperatura e umidade, em malha aberta e fechada, foram obtidas em um secador de esteira por simulação com um modelo dinâmico, o qual foi representado por um sistema de equações diferenciais parciais derivado de balanços de energia e de massa de água na fase sólida do secador. A validade do sensor virtual e da estratégia de controle inferencial foi confirmada com base nestas simulações, as quais consideravam perturbações aleatórias na temperatura e na umidade de alimentação. xperimentos de extração também foram realizados para investigar a cinética de infusão de folhas de erva-mate em extratores operando em batelada. O efeito da temperatura na taxa de extração de compostos solúveis foi examinado no intervalo de temperatura de 18 a 80°C envolvendo fr agmentos de folhas de erva-mate com diâmetros equivalentes entre 4,9'10-4 e 5,7'10-4 m. Nestas condições de operação foram calculados coeficientes de difusão dos sólidos solúveis da ordem de 10-12 – 10-13 m2 s-1. A influência dos fatores investigados e a cinética de extração foram corretamente reproduzidas com dois modelos simplificados de transporte de massa, classicamente reportados na literatura para repr sentar a variação de fração mássica de sólidos solúveis em processos de extração.

Abstract: The main aim of this work is to investigate experimentally and theoretically the drying of mate (Ilex paraguariensis) and the operation of extraction of soluble compounds from dehydrated leaves of this plant. The focus of drying is on the design of an empirical soft-sensor model to control the moisture content of mate leaves at the discharge of a virtual conveyor-belt dryer. This empirical model is applied to infer the unmeasured control variable based on virtual transient readings of temperature in the solid phase of the dryer. The inferential control uses a proportional-integral-derivative (PID) controller, which manipulates the conveyor speed to keep the outlet moisture content of mate leaves between 0.0 4 and 0.034 (dry basis). The parameters of the soft-sensor model were tuned on a set of around 2000 experimental data of surface temperature and moisture content of mate leaves. These results emerged from batch drying experiments carried out between 70 and 120 °C for u p to 9600 s involving leaves with initial moisture content varying from 0.14 to 1.7 (dry basis). Open and closed loop responses of moisture content and temperature of the mate leaves were obtained by simulation with a dynamic model. It was represented by a system of two partial differential equations derived from an energy and a mass balance for water in the solid phase of the dryer. Based on these simulations considering arbitrary process disturbances, the reliabilities of the soft-sensor model and of the inferential control strategy were confirmed. Experiments of solid-liquid extraction were also carried out to investigate the kinetics of infusion of mate leaves in a batch extractor. The effect of temperature on the rate of extraction of soluble compounds was examined in the range of 18 to 80°C involving particles of mate with diameters between 4.9'10-4 and 5.7'10-4 m. In these operating conditions the calculated diffusion coefficients of soluble species were in the magnitude of 10-12 – 10-13 m2 s-1. The influence of the investigated factors and the kinetics of extraction were correctly reproduced with two simplified models for mass transport, which are classically reported in the literature to describe the change of solute concentration during solid-liquid extraction.