Modelagem e análise da intensificação do processo de hidratação de cevada mediante operação periódica

Orientadora: Profa. Drª. Regina Maria Matos Jorge

Coorientador: Prof. Dr. Luiz Mário de Matos Jorge

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos. Defesa : Curitiba, 09/11/2020

Inclui referências: p. 135-148

Resumo: A cevada é o quarto cereal mais produzido no mundo, e é destinado principalmente à produção de malte cervejeiro. No Brasil a cevada é produzida principalmente na região sul com destaque para o estado do Paraná. Na primeira fase do projeto foi realizado um screening a partir de três cultivares de cevadas: ANAG01, BRS BRAU e BRS ELIS, para selecionar a cultivar que apresenta a maior velocidade de absorção de água e índice e energia de germinação. Ao estudar a influência da temperatura de germinação e da umidade relativa do ar, no processo de germinação de grãos de cevada, observou-se que a umidade relativa de 70% e temperatura de 16ºC favoreceram o processo de germinação apresentando energia de germinação de 90% para a cultivar BRSELIS, sob condições prévias de hidratação a 15ºC. Os resultados obtidos mostram que o aumento da temperatura do processo convencional influencia positivamente na velocidade de hidratação dos grãos, sendo a cultivar BRSELIS a que apresentou os melhores índices de absorção de água, portanto esta cultivar foi utilizada no estudo da aplicação da operação periódica no processo de hidratação e comparados os resultados com os obtidos em condições isotérmicas. Ao aplicar a modelagem matemática aos dados experimentais, observou-se que os modelos de Peleg, Page, Omoto-Jorge e de Fick ajustaram-se satisfatoriamente a cinética do processo. Já o modelo Exponencial mostrou-se não adequado no ajuste aos dados. A aplicação da operação periódica no processo de hidratação de grãos de cevada diminuiu a barreira da energia de ativação da reação de absorção potencializando a velocidade de entrada de água nos grãos principalmente nas duas primeiras horas de processo. A operação periódica intensificou o processo de absorção de água, havendo uma redução na energia de ativação de 19,8% em comparação com o processo convencional. Os resultados das propriedades termodinâmicas evidenciam que o processo de hidratação de grãos de cevada é endotérmico (DeltaH>0) e endergônico (DeltaG>0). O coeficiente de transferência de massa da operação periódica obtido a partir do modelo de Omoto-Jorge (KSPER15-34 = 0,55 cm h-1) foi superior ao alcançado na hidratação isotérmica (KSISO =0,42 cm h-1) incrementando em 31% a velocidade de absorção de água para a amplitude de 15ºC e período de 34 minutos. A redução no tempo de maceração dos grãos de cevada submetidos ao processo de operação periódica não prejudicou a energia e índice de germinação dos grãos de BRS ELIS, mantendo preservados os índices obtidos quando no processo isotérmico. Frente ao alto custo energético do processo de malteação este trabalho prova que a operação periódica (OP) pode ser empregada na intensificação do processo industrial de produção de malte de cevada. O processo de hidratação por modulação da temperatura da água de maceração com amplitude de 15ºC e períodos de 34 min (split = 0,5), resultou ser o mais eficiente em comparação com o processo isotérmico, atingindo a umidade necessária para a germinação em apenas 3,49 horas. Isto representa uma economia de 82,88% no tempo de hidratação para os grãos atingirem a umidade de 40% (b.u).

Abstract: The Barley is the fourth most produced cereal in the world and is mainly used for the production of brewing malt, in Brazil barley is produced mainly in the southern region, mainly in the Paraná state. In the present research, in a first phase, a screening was carried out from three barley cultivars: ANAG01, BRS BRAU and BRS ELIS, to select the cultivar that has the highest water absorption speed and germination index and energy. The influence of the germination temperature and the relative humidity of the air, in the germination process of barley grains was studied, it was observed that the relative humidity of 70% and temperature of 16ºC favored the germination process presenting germination energy of 90% for the cultivar BRS ELIS, under 15ºC prior hydration conditions. The results obtained show that the increase in the temperature of the conventional process has a positive influence on the hydration speed of the grains, with the cultivar BRS ELIS having the best water absorption rates, therefore this cultivar was used in the study of the application of the periodic operation in the process. hydration and compared the results with those obtained under isothermal conditions. Mathematical modeling to experimental data was applied and it was observed that the Peleg, Page, Omoto-Jorge and Fick models satisfactorily adjusted the process kinetics. The Exponential model, on the other hand, proved to be inadequate in adjusting to the data. The application of the periodic operation in the hydration process of barley grains decreased the energy barrier of activation of the absorption reaction, increasing the speed of water entry into the grains, mainly in the first two hours of the process. The periodic operation intensified the water absorption process, with a reduction in activation energy of 19,8% compared to the conventional process. The results of thermodynamic properties show that the hydration process of barley grains is endothermic (DeltaH> 0) and endergonic (DeltaG> 0). The mass transfer coefficient of the periodic operation obtained from the Omoto-Jorge model (KSPER15-34 = 0,55 cm h-1) was higher than that achieved in isothermal hydration (KSISO = 0,42 cm h-1) increasing in 31% the speed of water absorption for the amplitude of 15ºC and period of 34 minutes. The reduction in the maceration time of the barley grains submitted to the periodic operation process did not affect the energy and germination index of the BRS ELIS grains, maintaining the indices obtained when in the isothermal process. In view of the high energy cost of the malting process, this work proves that periodic operation (PO) can be used to intensify the industrial process of producing barley malt. The hydration process by modulating the temperature of the maceration water with an amplitude of 15ºC and periods of 34 min (split = 0,5), proved to be the most efficient compared to the isothermal process, reaching the necessary moisture content for germination in just 3,49 hours. This represents a saving of 82,88% in the hydration time to reach the grains with a moisture of 40% (w.b).