[001] Campo de aplicação

[002] A presente patente de invenção se refere a um inédito processo para a realização da desumidificação de materiais granulados, sobretudo grãos vegetais, tais como café, milho, feijão entre outros, mas também outros materiais na forma granulada, como os plásticos tipo ABS, nylon (poliamida), poliestireno (PS) entre outros, que necessitem ser desumidificados para posterior armazenagem e/ou manufatura. Sendo que, o presente processo é realizado a partir da aplicação da combinação de calor e pressão barométrica escalonados, sendo isto realizado no interior de uma ou mais câmaras, onde os grãos são introduzidos preferencialmente em fluxo contínuo de entrada e saída, mas também podendo ser por batelada.

[003] Estado da técnica

[004] Sabe-se que a secagem é uma das etapas de pré- processamento dos produtos agrícolas - sobretudo os grãos - que tem por finalidade retirar parte da água contida nos mesmos. Sendo definido como um processo simultâneo de transferência da umidade contida no grão para o ar de secagem. A remoção da umidade deve ser feita em um nível tal que o grão fique com o grau de umidade adequado ao armazenamento, de modo que possa preservar a aparência, qualidade nutritiva, e a viabilidade como semente. A importância da secagem em produtos agrícolas aumenta à medida que cresce a produção, devido as seguintes vantagens:

[005] - permite antecipar a colheita, disponibilizando a área de plantio para novos cultivos;

[006] - minimiza a perda de produto no campo;

[007] - permite armazenagem por períodos mais longos, sem perigo de deterioração do produto; [008] - o poder germinativo dos grãos é mantido por longos períodos;

[009] - impede o desenvolvimento de microrganismos e insetos.

[010] Por não existir uma classificação oficial dos processos de secagem, didaticamente nomeamos os métodos para melhor entendimento do conceito. Basicamente existem três processos de secagem:

[011] - Natural: é caracterizado pela secagem dos grãos no campo, ainda na própria planta, sem interferência do homem, onde o grão seca naturalmente, perdendo lentamente a sua umidade para o ar ambiente;

[012] - Semi-natural: é a secagem dos grãos que é realizada após a sua colheita, de modo que os grãos são espalhados em áreas abertas, e ai são constantemente revolvidos pela ação do homem, mas dispondo de elementos naturais, como ação do vento e calor solar para obter a desumidificação dos grãos;

[013] - Artificial: é a secagem utilizando equipamentos que por meio da combinação de processos convectivos de ventilação forçada e emprego de calor, acelera-se consideravelmente o processo de secagem dos grãos.

[014] - A secagem natural e semi-natural são métodos amplamente utilizados em regiões tropicais subdesenvolvidas ou em desenvolvimento. As razões que justificam a utilização destas técnicas são o desconhecimento de técnicas mais modernas e as condições climáticas da região que permitem este tipo de secagem, além disso, os investimentos para realizá-las é baixo. A secagem ocorre logo após a maturação fisiológica do fruto, quando este apresenta elevado teor de umidade. A movimentação do ar é feita pela ação do vento e a excitação para evaporação provem da entalpia do ar e da incidência direta da radiação solar. Com o passar do tempo, o fruto alcança o teor de umidade adequado para armazenagem, mas este fica sujeito ao ataque de pragas, ao tombamento das plantas, e às intempéries, que contribuem para grandes perdas de qualidade do fruto. A secagem natural tem uma desvantagem de campo, pois o tempo aguardado retarda as operações de preparo e recuperação do solo, diminuindo a produtividade em caso de culturas perenes (como o café). Na secagem semi-natural é necessário um período médio de 7 (sete) a 25 (vinte e cinco) dias de secagem dependendo das condições climáticas.

[015] Por sua vez, a secagem artificial envolve a interferência direta do homem, acelerando e melhorando o processo. Esta interferência é caracterizada pelo uso de processos mecânicos que utilizam a convecção como principal meio de troca térmica, buscando através da movimentação do ar aumentar o coeficiente de convecção e aumentar a temperatura para maior velocidade na retirada de umidade dos grãos. A principal desvantagem deste processo é a descaracterização do fruto quanto ao seu aspecto, sabor de bebida e produtividade como semente. Um grande interesse é que os grãos mantenham o máximo daquelas características que são obtidas com a secagem natural. Nos processos artificiais conhecidos até o momento, o fruto é submetido inicialmente ao processo de secagem semi-natural durante um período de 2 (dois) a 3 (três) dias (secagem no terreiro), e em seguida, é submetido a um período de 41 (quarenta e uma) horas no equipamento de secagem artificial, totalizando uma quantidade de 65 (sessenta e cinco) horas de processamento, e muitas vezes até ultrapassando esse tempo. Vale ainda ressaltar que, nos processos de secagem artificial já compreendidos no estado da técnica, uma considerável fatia do tempo necessário de permanência dos grãos no secador é destinada ao resfriamento dos grãos, o que é realizado a partir da interrupção da geração de calor, enquanto os grãos continuam no interior das câmaras de secagem até atingirem - por meio de convecção natural - as condições de resfriamento necessárias para o seu descarregamento do secador. A prática revela que nos processos de secagem artificial já compreendidos no estado da técnica, um ciclo de secagem de 30 horas, necessita de mais 5 horas para se obter o seu resfriamento satisfatório.

[016] O principio geral de secagem de grãos se refere a desidratação do mesmo, que é obtida pela movimentação da água interna ao grão, decorrente de uma diferença de pressão de vapor d'água entre a superfície do grão a ser desumidificado e o ar que o envolve. A condição para que um grão seja submetido a um processo de secagem é que a pressão de vapor sobre a superfície do grão (P _g ) seja maior que a pressão do vapor d'água no ar de secagem (Par). Caso a pressão do vapor do ar (Par) seja maior que a pressão do vapor da superfície do grão (P _g ) ocorre o umedecimento do grão. E ainda, se as pressões de vapor da superfície do grão (P _g ) e do ar (Par) forem iguais teremos um equilíbrio higroscópico. Para melhor visualização da atuação do vapor na superfície do grão, podemos assim representar:

[017] - Se P _g > Par: ocorrerá a secagem do produto;

[018] - Se P _g < Par: ocorrerá a umedecimento do produto;

[019] - Se P _g = Par: ocorrerá equilíbrio higroscópico.

[020] Objetivos da invenção

[021] Com o objetivo de resolver os inconvenientes e limitações observados no estado da técnica, foi que se desenvolveu a presente invenção, a qual se refere a um processo artificial de secagem de grãos que é distinto de todos os outros processos artificiais de secagem já conhecidos no estado da técnica. Sendo que, o presente processo se destaca primeiramente por dispensar a etapa de secagem semi-natural, economizando assim uma quantidade de tempo consideravelmente grande, e economizando o espaço físico que seria necessário à esta etapa. E principalmente, o presente processo reduz drasticamente o tempo de permanência dos grãos no secador artificial, colaborando assim para a redução do tempo necessário, mas principalmente, proporcionando uma substancial economia dos recursos energéticos empregados para a geração do calor necessário à secagem.

[022] Descrição detalhada da invenção

[023] A presente invenção: PROCESSO DE SECAGEM DE

GRÃOS, se dá em quatro etapas distintas e em sequência. Sendo que, na primeira etapa, a massa de grãos é introduzida no interior de uma câmara fechada, e aí é submetida à uma massa de ar aquecido, somado a um aumento positivo da pressão barométrica interna na referida câmara, o que resulta no aumento da pressão do vapor de água do ar (Ρ^). O aumento da pressão do ar no interior da câmara - na primeira etapa - é obtido por meio da aplicação de calor nas suas faces externas, em conjunto com a restrição da entrada e saída de ar no seu interior. Mas este aumento de pressão também pode alternativamente ser obtido com a injeção forçada de ar quente (ou inicialmente frio, e posteriormente aquecido) no interior da referida câmara na primeira etapa. Nesta primeira etapa a desumidificação do grão ainda não tem início, mas sim, o ar quente e ainda rico em vapor d'água, sob pressão no interior da câmara, impede o desprendimento da umidade do grão a partir da sua crosta externa, de modo que, a própria umidade no interior do grão é aproveitada como um veículo para transmitir mais rápida e eficazmente o calor que é recebido na crosta do grão até o seu núcleo, o que proporciona uma equalização da temperatura ao longo de toda a massa do grão.

[024] Na etapa seguinte (2 ^a etapa) inicia-se a etapa de desumidificação, sendo provocada uma redução da pressão barométrica no interior da câmara - que pode ser a mesma câmara ou uma segunda câmara contígua comunicante - Sendo que, a redução da pressão se dá pela liberação controlada do ar quente e saturado de umidade do interior da câmara, fazendo assim com que parte da umidade do sistema já seja eliminada. E sendo que, esta etapa de redução de pressão pode ocorrer sem redução da temperatura que era presente na primeira etapa, ou com a redução controlada desta temperatura. O resultado obtido é que a queda abrupta da pressão exercida na crosta do grão faz com que o calor acumulado no seu núcleo faça com que o vapor d'água até então aprisionado no seu interior - pela pressão - expulse rapidamente esta umidade de toda a extensão do grão, num sentido do interior para o exterior, ao contrário de todos os outros processos conhecidos, onde a secagem se dá de fora pra dentro do grão.

[025] A terceira etapa é caracterizada mais uma vez pela redução da pressão interna na câmara, e obrigatoriamente pela redução da temperatura, concluindo assim a retirada de umidade do grão. Sendo que, a redução de temperatura nesta terceira etapa - assim como na segunda etapa - se dá pela insuflação de ar com menor grau de aquecimento no interior da câmara, o que é feito em fluxo contínuo de entrada e saída do ar, renovando assim continuamente este ar aquecido, e consequentemente retirando a umidade no interior da câmara, o que também mantém os valores de pressão baixos, propiciando assim um ambiente de retirada de temperatura.

[026] Por sua vez, após a conclusão da terceira etapa, o grão ainda se encontra com uma temperatura relativamente alta, e que ainda não é a temperatura ideal para a sua manipulação. E neste momento que tem início a quarta etapa, para a qual a câmara deixa de receber e de reter qualquer calor. Sendo que, nesta etapa, ainda no interior da câmara, os grãos são submetidos a um forte fluxo forçado e contínuo de ar frio - que é captado do ambiente externo ou refrigerado artificialmente - Sendo este ar, forçado a passar entre os grãos, realizando assim a troca térmica, e em seguida sendo novamente expulso para a atmosfera, até que se atinja a temperatura necessária para a manipulação dos grãos. Alternativamente, após a conclusão da terceira etapa, os grãos podem ser descarregados numa tulha, onde continuam perdendo umidade enquanto resfriam natural e lentamente. [027] Ensaios práticos demonstraram que para um resultado ótimo de secagem, as três primeiras etapas do processo devem ser aplicadas em tempos iguais, sendo assim a primeira etapa caracterizada pela aplicação de alta temperatura e elevação da pressão positiva (ETAPA DE HOMOGENEIDADE TÉRMICA); A segunda etapa caracterizada pela redução da temperatura para um patamar intermediário e redução da pressão; e a terceira etapa, redução mais acentuada da temperatura, mantendo-se a baixa pressão, ou até mesmo, aplicando-se pressão negativa (ETAPAS DE SECAGEM). Já a quarta etapa (ETAPA DE RESFRIAMENTO) normalmente pode ser concluída num espaço de tempo igual ao de uma das três etapas anteriores, ou pode necessitar de um tempo maior, de acordo com as condições climáticas no local.

[028] Este processo proporciona uma redução significativa do tempo de permanência dos grãos no secador, havendo substancial ganho de tempo e economia de energia, o que torna o seu emprego de grande valor para o seguimento de manufatura de grãos. Para efeito de comparações práticas, testes demonstraram que no processo de secagem que é objeto desta invenção, foi necessário duas horas para se obter a secagem e resfriamento de grãos de café, desde a saída do fruto da planta, ou seja, é dispensável o período de pré- secagem no processo semi- natural. Assim sendo, verifica-se um novo processo muito eficiente, o qual utiliza em média apenas 0,20% (zero vírgula dois por cento) do tempo necessário em um processo semi-natural (secagem em terreiro). E quando comparado aos processos artificiais, o novo processo aqui descrito proporciona em média uma melhoria de 4000% em performance. Destacando-se ainda uma extraordinária redução do consumo de recursos energéticos em relação aos processos tradicionais de secagem artificial.

[029] Quanto ao método empregado para a realização do presente processo de secagem, um equipamento que permita um fluxo contínuo de entrada e saída de grãos oferece um melhor desempenho quando comparado com o método de batelada. Além de proporcionar um melhor gradiente de temperatura devido a movimentação dos grãos. E também produz uma maior velocidade de retirada de umidade. Sendo que, para aplicação em fluxo contínuo, o ideal é o emprego de um equipamento dotado de ao menos quatro câmaras intercomunicantes em sequência. Sendo a primeira câmara aquela que recebe inicialmente os grãos a serem desumidificados (PRIMEIRA ETAPA), e tendo esta primeira câmara meios para controlar a entrada e saída de ar no seu interior, além de meios para receber aquecimento, e também meios para movimentar os grãos continuamente desde a sua extremidade de entrada até a sua extremidade de saída, a qual desemboca na boca de entrada da segunda câmara (SEGUNDA ETAPA), a qual apresenta meios para a realização da exaustão controlada do ar saturado de umidade em seu interior, e também para a injeção controlada de novo ar aquecido, ou seja, proporciona a circulação e renovação de ar aquecido. Sendo portanto também dotada de meios para receber aquecimento, e meios para movimentar os grãos continuamente desde a sua extremidade de entrada até a sua extremidade de saída, a qual desemboca na boca de entrada da terceira câmara (TERCEIRA ETAPA), que por sua vez apresenta meios para possibilitar uma redução da temperatura do ar em seu interior, incluindo recursos para a captação de ar exterior para fazer a regulação da temperatura necessária nesta etapa. Esta câmara também apresenta meios para receber aquecimento, caso haja necessidade de ajustes finos para correções ao longo do processo, e também conta com meios para movimentar os grãos continuamente até a sua boca de saída, onde os grãos já saem com o grau de umidade desejado, quando então seguem para uma quarta câmara (QUARTA ETAPA), a qual não recebe qualquer tipo de aquecimento, e nem tem qualquer tipo de isolamento térmico. Sendo que, esta quarta câmara possui suas paredes perfuradas em toda a sua extensão (furações menores que os grãos), ou paredes constituídas de telas. E sendo que, no interior de uma das extremidades da referida câmara é montado um recurso de sucção de ar - tal como um ventilador centrífugo (exaustor) - o qual aspira o ar frio do ambiente externo para o interior da câmara através das perfurações na câmara, fazendo este ar passar de forma forçada entre os grãos, coletando assim o seu calor, e em seguida expelindo este ar aquecido para a atmosfera, até que os grãos atinjam uma temperatura de 25°C, que é a temperatura ideal para armazenamento e/ou manuf atura.

[030] Por sua vez, para emprego do método de batelada para a realização do presente processo, é necessário um equipamento dotado de ao menos uma câmara, a qual seja fixa ou preferencialmente rotativa num eixo horizontal; sendo dotada de ao menos uma boca de carregamento/descarregamento de material; sendo necessário que a referida câmara disponha de meios para aplicação de aquecimento controlado ao ar no seu interior; e que também disponha de meios para controlar a pressão barométrica no seu interior, tal como válvulas de controle; além de poder contar com meios de injeção forçada e/ou insuflação de ar quente ou frio no seu interior; e também meios para realizar a sucção forçada do ar em seu interior. E assim, cada etapa do processo é realizada na mesma câmara, usando-se os meios de controle de aquecimento e de pressão para obter-se as quatro diferentes condições ao longo de quatro períodos de tempo subsequêntes, relativos as quatro etapas realizadas no método contínuo.

[031] Os métodos contínuo e de batelada também podem ser combinados para a realização do presente processo de secagem. Sendo as três primeiras etapas (desumidificação) realizadas na mesma única câmara (Batelada), e a quarta etapa (resfriamento) realizada externamente numa câmara análoga àquela descrita para a etapa de resfriamento no método contínuo. [032] Exemplo de emprego do processo

[033] Para fins de melhor compreensão do presente processo é descrito um exemplo da sua aplicação, no qual cada uma das quatro etapas foi realizada num par de câmaras cilíndricas e horizontalizadas - totalizando assim oito câmaras dispostas paralelamente entre si numa disposição em cascata - interligadas nas suas extremidades, e sendo a primeira câmara superior dotada de moega dosadora de alimentação de grãos por gravidade. E sendo que, cada câmara possui seu próprio mecanismo de transporte de material, tal como um fuso. Sendo que, o próprio material (grãos) acumulado na moega limita a entrada e saída de ar para o interior da câmara superior. Cada uma das seis câmaras tem o volume interno total de 588 litros, e em seu interior é permitida a ocupação de 335 litros de grãos. Nas duas primeiras câmaras é realizada a primeira etapa do processo, e aí é aplicado calor que resulte numa temperatura entre 100 a 120°C no interior das duas referidas primeiras câmaras, onde como já foi visto, é limitada a entrada e saída de ar (por meio de válvula ou pelo próprio acúmulo de material na moega), de modo que assim, nestas condições, a pressão barométrica interna das duas primeiras câmaras se eleva para aproximadamente 1,45 bar. E sendo que, o material leva 30 minutos para percorrer a extensão longitudinal das duas primeiras câmaras (regulado pelo passo do fuso); na sequência - após 30 minutos nas duas primeiras câmaras), o material alcança a terceira câmara - que é a primeira câmara da segunda etapa - Nesta terceira câmara e também na quarta, o material também leva 30 minutos para ir de ponta a ponta (15minutos em cada câmara), porém, nestas câmaras a temperatura é baixada para uma faixa entre 80 a 90°C, e num sistema de renovação de ar quente constante, com insuflação de 8 a 10 metros cúbicos de ar quente, deixando a pressão barométrica no interior destas duas câmaras cair novamente para 1 bar. Por sua vez, ao percorrer a terceira e quarta câmara (segunda etapa), o material cai para a quinta câmara - que é a primeira câmara da terceira etapa - Sendo que, esta etapa é análoga à segunda etapa, porém, a temperatura do ar aquecido é reduzida para uma faixa entre 50 a 60°C, onde permanece por mais 30 minutos. Sendo que, neste período a umidade do grão decresce de 36% para 12% no seu interior, a qual é considerada ótima para armazenagem e pós processamento do café, por exemplo. Por sua vez, neste momento, ao final do seu percurso na terceira etapa, o grãos alcançam a sétima e oitava câmaras - quarta etapa - onde na ausência de qualquer fonte de calor, os grãos percorrem as referidas câmaras sob um intenso fluxo constante de ar frio, obtendo-se a redução da sua temperatura de 60°C para aproximadamente 25°C, quando então são descarregados do equipamento.

[034] Logicamente, o presente PROCESSO DE SECAGEM DE GRÃOS é aqui descrito de modo a apresentar a sua forma de realização mais preferencial, mas ficando óbvio para um técnico na área que são admitidas variações quantitativas e/ou qualitativas quanto as ações e/ou elementos envolvidos, e que em nada interferem no escopo da invenção.