Propriedades físicas e aerodinâmicas de frutos e grãos de café (Coffea arabica) durante o processo de secagem

Abstract

O café é a segunda maior commodity de exportação e considerada a mais valiosa cultura de exportação tropical. O conhecimento das propriedades físicas e aerodinâmicas do café é de fundamental importância para melhoria do processo produtivo e correta preservação do produto até sua comercialização. Diante do exposto, objetivou-se com esse estudo, determinar e modelar a variação das propriedades físicas e aerodinâmicas de frutos e grãos de café durante o processo de secagem. Para tanto, foram utilizados frutos e grãos de café arábica (Coffea arabica) da variedade Oeiras (MG-6851), procedentes do Sítio Pedra Redonda, localizado em Araponga – Minas Gerais. Os frutos foram colhidos manualmente e selecionados apenas no estágio cereja. Os testes experimentais foram realizados com frutos e grãos de café, com teores de água iniciais de 1,77 e 1,13 (decimal, b.s.), respectivamente. As amostras foram submetidas ao processo de secagem em estufa com circulação forçada de ar à 45 ± 2 °C, até diferentes níveis de teores de água. Foram determinadas as principais propriedades físicas (massa específica unitária, esfericidade, circularidade, diâmetro geométrico, área projetada, volume, contração volumétrica unitária e coeficiente de atrito estático em diferentes materiais) e propriedades aerodinâmicas (velocidade terminal e coeficiente de arrasto, reais e teóricos) dos frutos e dos grãos durante a secagem. Modelos matemáticos foram ajustados para representar a variação das propriedades em função do teor de água. De acordo com os resultados obtidos pôde-se concluir que: (a) a redução do teor de água durante a secagem proporciona a redução da massa especifica unitária dos frutos em 30%; (b) o tamanho e a forma dos frutos de café são influenciados pela redução do teor de água, promovendo redução da esfericidade, circularidade, área projetada, diâmetro geométrico e volume; (c) os frutos de café apresentaram contração volumétrica de 40% durante o processo de secagem. A contração volumétrica é mais acentuada no começo do processo de secagem, tendendo a se estabilizar nos menores valores de teor de água; (d) dentre os modelos empíricos testados que descrevem a contração volumétrica, nenhum apresentou ajuste satisfatório. Dessa forma foi proposto um novo modelo, nominado ARAUJO-COPACE, que representou de forma aceitável o fenômeno; (e) o coeficiente de atrito estático dos frutos de café aumentou linearmente com a redução do teor de água, independentemente do material da superfície. O material utilizado não apresentou influência significativa sobre o coeficiente de atrito estático, contudo, os maiores valores foram observados para os materiais com maior rugosidade; (f) a velocidade terminal experimental dos frutos de café apresentou redução ao longo do processo de secagem, ao passo que o coeficiente de arrasto apresentou tendência de aumento; (g) as propriedades aerodinâmicas teóricas dos frutos de café durante a secagem, encontradas neste estudo, apresentaram valores próximos aos experimentais representando de forma aceitável os fenômenos em função do teor de água. Os erros encontrados foram inferiores aos apresentados na maioria dos estudos; (h) a massa especifica unitária dos grãos de café reduziu em 32% com o processo de secagem; (i) a redução do teor de água influencia o tamanho e a forma dos grãos de café, resultando em um ligeiro aumento da esfericidade e circularidade, e na redução do diâmetro geométrico e área projetada; (j) o volume dos grãos de café é reduzido ao longo do processo de secagem, resultando em uma contração volumétrica de aproximadamente 20%; (k) o modelo de Bala e Woods adaptado, dentre os testados, foi o que melhor representou o fenômeno de contração volumétrica dos grãos de café durante a secagem; (l) a redução do teor de água promove a redução do coeficiente de atrito estático dos grãos de café. O atrito dos grãos foi mais influenciado pelo teor de água do que pelo material que compunha a superfície. As superfícies de maior rugosidade apresentaram maiores valores do coeficiente de atrito estático; (m) a velocidade terminal experimental dos grãos de café apresenta redução ao longo da secagem, enquanto o coeficiente de arrasto apresenta aumento; (n) as propriedades aerodinâmicas teóricas dos grãos de café apresentaram resultados semelhantes aos experimentais, representando de forma adequada os fenômenos investigados.

Coffee is the second largest export commodity and considered the most valuable tropical export crop. The knowledge of the physical and aerodynamic properties of coffee is of fundamental importance for the improvement of the productive process and correct preservation of the product until its commercialization. Given the above, the aim of this study was to determine and model the variations of the physical and aerodynamic properties of coffee fruits and beans during the drying process. For that, Arabica coffee (Coffea arabica) fruits and beans of the variety Oeiras (MG-6851), coming from Sítio Pedra Redonda, located in Araponga – Minas Gerais, were used. The fruits were harvested manually and selected only in the cherry stage. The experimental tests were performed with coffee fruits and beans, with initial moisture contents of 1.77 and 1.13 (decimal, d.b.), respectively. The samples were submitted to the oven drying process with forced air circulation at 45 ± 2 ° C, until different moisture contents. The main physical properties (unit specific mass, sphericity, circularity, geometric diameter, projected area, volume, unit volumetric contraction and static friction coefficient in different materials) and aerodynamic properties (terminal velocity and drag coefficient, real and theoretical) of fruits and beans during drying. Mathematical models were adjusted to represent the variation of the properties as a moisture content function. According to the results obtained it was possible to conclude that: (a) the reduction of the moisture content during drying provides the reduction of the unit specific mass of the fruits by 30%; (b) the size and shape of the coffee fruits are influenced by the reduction of moisture content, promoting reduction of sphericity, circularity, projected area, geometric diameter and volume; (c) the coffee fruits presented a volumetric contraction of 40% during the drying process. The volumetric contraction is more pronounced at the beginning of the drying process, tending to stabilize at the lower values of moisture content; (d) among the empirical models tested that describe the volumetric contraction, none presented satisfactory adjustment. Thus, a new model, nominated ARAUJO-COPACE, was proposed, and represented in an acceptable way the phenomenon; (e) the coefficient of static friction of the coffee fruits increases linearly with the reduction of the moisture content, regardless of surface material. The material used did not present significant influence on the coefficient of static friction, however, the higher values were observed for the materials with greater roughness; (f) the experimental terminal velocity of the coffee fruits presented reduction during the drying process, whereas the coefficient of drag showed an increased tendency; (g) the theoretical aerodynamic properties of the coffee fruits during drying, found in this study, presented values close to the experimental ones, representing in an acceptable way the phenomena as a function of the moisture content. The errors found were lower than those presented in most studies; (h) the unit specific mass of coffee beans was reduced by 32% with the drying process; (i) the reduction of the moisture content influences the size and shape of the coffee beans, resulting in a slight increase in sphericity and circularity, and in the reduction of the geometric diameter and projected area; (j) the volume of the coffee beans is reduced throughout the drying process, resulting in a volumetric contraction of approximately 20%; (k) the Bala and Woods adapted model, among those tested, was the one that best represented the phenomenon of volumetric contraction of coffee beans during drying; (l) the reduction of the moisture content promotes the reduction of the coefficient of static friction of the coffee beans. The grain friction was more influenced by the moisture content than surface material. The surfaces of greater roughness presented higher values of the coefficient of static friction; (m) the experimental terminal velocity of the coffee beans presents reduction during the drying, while the coefficient of drag shows increase; (n) the theoretical aerodynamic properties of the coffee beans presented similar results to the experimental ones, adequately representing the investigated phenomena.