Equilíbrio higroscópico e análise termodinâmica da sorção de água em grãos de arroz em casca | Hygroscopic equilibrium and thermodynamic analysis of water sorption on paddy rice grains

O presente trabalho foi realizado com o objetivo de determinar as isotermas de dessorção e adsorção em grãos de arroz em casca em diferentes condições de temperatura e umidade relativa, além de analisar o fenômeno de histerese e investigar o comportamento termodinâmico dos processos de sorção nos grãos de arroz em casca. Para tanto, foram utilizados grãos de arroz irrigado, variedade Urucuia, processado em casca, provenientes da Fazenda Experimental da EPAMIG, região do sul de Minas Gerais. Os grãos foram colhidos manualmente com teor de água inicial de 0,28 (b.s.), sendo estes utilizados para análise do processo de dessorção. Para o processo de adsorção, os grãos de arroz em casca foram desidratados em estufa de circulação forçada de ar à temperatura de 80 °C até atingirem teor de água em torno de 0,02 (b.s.). Foi empregado o método estático para obtenção do teor de água de equilíbrio dos grãos de arroz em casca, em diferentes condições de temperatura (10, 20, 30, 40, 50 °C ± 1°C) e umidade relativa (entre 11 e 76% ± 2%). Para todos os testes, foram utilizadas amostras contendo 20 g, em três repetições por temperatura. As amostras foram pesadas periodicamente até que a variação de sua massa fosse menor ou igual a 0,001 g em três pesagens consecutivas. No final de cada processo, o teor de água de equilíbrio de cada amostra foi determinado pelo método gravimétrico. Aos dados observados do equilíbrio higroscópico dos grãos de arroz em casca, foram ajustados oito modelos matemáticos, utilizando o software Statistica 7.0 ® . O modelo mais adequado foi escolhido considerando o coeficiente de determinação (R 2 ), magnitude do erro médio relativo (MRE), desvio padrão da estimativa (SDE) e análise de distribuição de resíduos. Também foram determinadas as seguintes propriedades termodinâmicas da sorção de água nos grãos de arroz em casca: calor isostérico integral, entropia diferencial, energia livre de Gibbs, temperatura isocinética e teoria da compensação entalpia-entropia. De acordo com os resultados obtidos, pôde-se concluir que: (a) o teor de água de equilíbrio dos grãos de arroz em casca é diretamente proporcional à umidade relativa e decresce com o aumento da temperatura para um mesmo valor de atividade de água; (b) o modelo de Chung Pfost foi o que melhor se ajustou aos dados experimentais dos grãos de arroz em casca; (c) as isotermas de dessorção e adsorção, representadas pelo modelo de Chung Pfost, exibiram um formato sigmoidal, característico de curva do tipo II; (d) os valores do teor de água de equilíbrio obtidos por dessorção foram maiores do que aqueles obtidos por adsorção, evidenciando o fenômeno de histerese; (e) com a redução do teor de água de equilíbrio, ocorre aumento da energia necessária para retirar água do produto, representada pelos valores do calor isostérico integral de dessorção, e aumento da energia liberada pela adsorção da água no produto, representada pelos valores do calor isostérico integral de adsorção; (f) para um mesmo valor de teor de água, os valores do calor isostérico integral de dessorção são maiores que os de adsorção; (g) com a redução do teor de água, ocorre aumento dos valores da entropia diferencial de dessorção e adsorção, sendo que, para um mesmo teor de água de equilíbrio, a entropia diferencial de dessorção é maior que a de adsorção; (h) a energia livre de Gibbs diminuiu com o aumento da temperatura, em ambos os processos, sendo que seus valores foram positivos para dessorção (processo endotérmico), e negativos para adsorção (processo exotérmico); (i) a teoria da compensação entalpia-entropia é aplicada ao fenômeno de sorção dos grãos de arroz em casca, onde os processos de dessorção e adsorção são controlados pela entalpia.

The present work was conducted in order to determine the desorption and adsorption isotherms in paddy rice grains, in different temperature and relative humidity conditions, besides to analyze the hysteresis phenomenon and investigate the thermodynamic behavior of the sorption processes in paddy rice grains. Rice grain irrigated of variety Urucuia, processed in paddy, from the experimental farm of EPAMIG, southern region of Minas Gerais, was used. The grains were harvested manually with initial moisture content of 0.28 (b.s.) and used for desorption process analysis. For the adsorption process, grains were dehydrated in a forced air circulation oven at 80 °C until reaching 0.02 (b.s.). Static method was used to obtain the equilibrium moisture content of rough rice grains, in different temperature conditions (10, 20, 30, 40 e 50 ± 1°C) and relative humidity (11 to 76% ± 2%). Samples containing 20 g of product in three replicates per temperature were used for all tests. Samples were periodically weighed until the mass variation was less or equal to 0,001 g in three consecutive weighings. Gravimetric method was used to determine the equilibrium moisture content of each sample. To observed data of equilibrium moisture content of paddy rice grain, were adjusted eight mathematical models, using Statistica 7.0 ® software. The best model was chosen considering the determination coefficient (R 2 ), magnitude of mean relative error (MRE), standard deviation of the estimate (SDE) and residual plots. Thermodynamic properties of paddy rice grain were also determined, such as: integral isosteric heat, differential entropy, Gibbs free energy, isokinetic temperature and enthalpy-entropy compensation theory. Based on the obtained results, it can be concluded that: (a) the equilibrium moisture content of paddy rice grains is directly proportional of relative humidity and decreases as temperature increases for the same water activity; (b) Chung Pfost model fitted best for the experimental data of paddy rice grains; (c) desorption and adsorption isotherms, represented by Chung Pfost model, showed a sigmoidal shape, characteristic of II curve type; (d) equilibrium moisture content values obtained by desorption were higher than those obtained by adsorption, evidencing the hysteresis phenomenon; (e) with reduction of moisture content, the energy needed to remove water from the product increases, represented by the total values of esoteric heat of desorption, and increase energy released by adsorption of water in the product, represented by the values of the total esoteric heat of adsorption; (f) for the same amount of water content, values of total isoteric heat of desorption are higher than those of adsorption; (g) with reduction of moisture content, there is an increase in values of differential entropy of desorption and adsorption, and, for the same equilibrium moisture content, the desorption differential entropy is higher than adsorption; (h) Gibbs free energy decreased with increasing temperature, in both processes, and their values were positive for desorption, indicating an endothermic process, and negative for adsorption, showing to be an exothermic process; (i) the enthalpy-entropy compensation theory is applied to the sorption phenomenon of paddy rice grains, where the desorption and adsorption processes are controlled by enthalpy.

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