Propriedades físicas, aerodinâmicas e térmicas de frutos de café conilon (Coffea canephora)

Abstract

O café é considerado um dos produtos agrícolas de maior importância no Brasil, tanto pela receita gerada pela exportação e industrialização, como pelo número de empregos diretos e indiretos relacionados com o seu agronegócio. As espécies de maior importância no mercado econômico internacional são Coffea arabica (café arábica) e Coffea canephora (café robusta). Considerando as limitadas pesquisas no processo de secagem e visando obter dados que possam ser utilizados no desenvolvimento de sistemas durante os processos de colheita e pós-colheita, o presente trabalho objetivou, avaliar a influência do teor de água nas propriedades físicas, aerodinâmicas e térmicas de frutos de café conilon (Coffea canephora). Foram utilizados frutos de café (Coffea canephora), clones 83 e 74 da variedade clonal EMCAPA 8141 e os clones 31 e 32 da variedade clonal EMCAPA 8131, procedentes da fazenda experimental da Empresa de Pesquisa Agropecuária de Minas Gerais (EPAMIG), situada no município de Leopoldina, Minas Gerais. Posteriormente os diferentes lotes de café foram secos em estufa com ventilação forçada com temperatura do ar de aproximadamente 60 ± 3°C, até diferentes níveis de teores de água. Durante a secagem, para cada teor de água obtido, amostras eram homogeneizadas e encaminhadas para a determinação de suas propriedades, sempre em triplicata. Para os quatro clones foram determinadas as massas específica unitária e aparente, a porosidade, a forma, o tamanho e o índice de contração volumétrica unitária e da massa em cada estádio de maturação; além de ajustar aos modelos matemáticos disponíveis na literatura. Também foi estudada a influência do teor de água nas propriedades aerodinâmicas durante o processo de secagem. Mediante técnicas da Mecânica dos Fluidos Computacional foi estudado o processo utilizando o modelo k-ε para regime turbulento. Determinou-se também as propriedades térmicas (calor específico, condutividade e difusividade térmica) para os frutos de café da espécie Coffea canephora, clone 32 da variedade clonal EMCAPA 8131. Ao estudar o comportamento de cada clone foi determinado que a área projetada, a área superficial, o volume e a porosidade aumentam com a elevação do teor de água para todos os clones, enquanto as massas específicas reais e aparentes aumentam com o aumento da umidade dos frutos de café até um valor máximo e depois decrescem. A forma dos frutos de café conilon é influenciada no processo de secagem, promovendo diminuição dos valores da esfericidade e circularidade com a redução do teor de água. A contração volumétrica apresentou um comportamento não linear decrescente com a redução do teor de água da massa de frutos de café conilon. Os modelos de Bala e Woods adaptado, Corrêa e o polinomial ajustados aos valores experimentais para estimar o índice de contração volumétrica unitária e da massa dos frutos de café em função do teor de água representaram de forma satisfatória o fenômeno estudado, sendo o modelo polinomial o de melhor ajuste em todos os casos. Ao aumentar o teor de água a velocidade terminal cresceu de forma não linear em todos os clones de café conilon e estádios de maturação estudados. Determinou-se experimentalmente em um túnel de vento horizontal o coeficiente de arrasto de cada clone. O coeficiente de arrasto apresentou um comportamento não linear, decrescendo ao aumentar o número de Reynolds. O modelo numérico utilizado representou o processo adequadamente com diferenças entre o coeficiente de arrasto experimental e o numérico inferiores a 5 %. Foi possível determinar a distribuição de pressões e velocidades mediante a simulação numérica, pelo fato da razão de aspecto ter uma mínima influência nas mesmas;isso significa que é possível utilizar a mesma razão de aspecto para todos os clones. Determinou-se que as propriedades térmicas do café conilon são dependentes do conteúdo de umidade. O calor específico e a condutividade térmica dos frutos de café conilon aumentaram com o aumento do conteúdo de umidade, enquanto a difusividade térmica decresce com o aumento do conteúdo de umidade. Realizou-se o teste de identidade identificando a combinação e a propriedade física representada por um modelo comum.

Coffee is considered one of the most important agricultural products in Brazil, by revenue generated of exports and industrialization, as the number of direct and indirect jobs associated with their agribusiness. The species of greatest importance in the international economic market are Coffea arabica (Arabica coffee) and Coffea canephora (robusta). Considering the limited research in the drying process and to obtain data that can be used in systems development processes during harvest and post- harvest, the present study aimed to evaluate the influence of water content on physical, aerodynamic and thermal properties of coffe fruits (Coffea canephora). It was used Conilon coffee cherries (Coffea canephora), clones 83 and 74 of the clonal variety EMCAPA 8141 and clones 31 and 32 of the clonal variety EMCAPA 8131, coming from an experimental farm of EPAMIG in the municipality Leopoldina, Minas Gerais. Subsequently the different batches of coffee were dried in an oven with forced ventilation with air temperature of approximately 60 ±3 °C until different levels of water content. During drying, for each moisture content obtained, samples were homogenized and forwarded to the determination of their properties, always in triplicate. For the four clones were determined true and bulk density, porosity, shape, size and shrinkage in each maturation stage, besides adjusting the models available in the literature. It was also studied the influence of water content on the aerodynamic properties during the drying process. The process was studied by techniques of Computational Fluid Dynamics using the k-ε turbulence model. It was also determined the thermal properties (specific heat, thermal conductivity and diffusivity) for coffee cherries from Coffea canephora species, clone 32 of clonal variety EMCAPA 8131. When studying the behavior of each clone was determined that the projected area, surface area, volume and porosity increase with increasing moisture content for all clones, while the bulk and true densities increased with increasing moisture content of coffee cherries to a maximum and then decreases. The shape of the conilon coffee cherries is influenced during the drying process, promoting the decrease of sphericity and roundness values with reduced moisturer content. The shrinkage showed a nonlinear behavior with decreasing reducing the moisture content of the conilon coffee cherries. The models adapted Bala & Woods, Correa and polynomial adjusted to the experimental values to estimate the shrinkage of conilon coffee cherries depending on the moisture content represented satisfactorily the phenomenon studied, with the model of the polynomial better fit in all cases. By increasing the moisture content, the terminal velocity increased non-linearly in all conilon coffee clones and maturation stages studied. It was determined the experimentally drag coefficient in a horizontal wind tunnel of each clone. The drag coefficient showed a non-linear behavior as a function of the Reynolds number, but decreased by increasing the Reynolds number. The numerical model used represented the process properly with differences between the experimental and numerical drag coefficient less than 5 %. It was possible to determine the distribution of pressures and velocities by numerical simulation finding that the aspect ratio has a minimum influence on them, which means that it is possible to use the same aspect ratio for all clones. It was determined that the thermal properties of the conilon coffee cherries are dependent on the moisture content. The specific heat and thermal conductivity of conilon coffee cherries increased with increasing moisture content, whereas the thermal diffusivity decreasing with increasing moisture content. It carried out the identity test by identifying the combination and physical property represented by a common model.