Modelagem matemática dos fenômenos de higroscopia e respiração de grãos de soja em diferentes condições de armazenamento

• Autor(a) principal: Zeymer, Juliana Soares
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: LOCUS Repositório Institucional da UFV
• Texto Completo: https://locus.ufv.br//handle/123456789/28002
• topic: Soja - Grãos - Armazenamento - Análise; Agua - Absorção e adsorção; Histerese; Aprendizado do computador; Engenharia de Processamento de Produtos Agrícolas

O presente trabalho foi realizado em duas partes: análise do equilíbrio higroscópico e da atividade respiratória de grãos de soja armazenados. Na primeira parte, os objetivos do trabalho foram determinar as propriedades higroscópicas (dessorção, adsorção, histerese) e termodinâmicas da sorção de água de grãos de soja. Na segunda parte, objetivou-se avaliar o dióxido de carbono (CO2) e a perda de matéria seca acumulada por grãos de soja armazenados em dois diferentes sistemas de respiração (dinâmico e estático), realizando-se a comparação de ambos os sistemas. Ademais, foram determinados o tempo máximo de armazenagem seguro e as mudanças químicas e biológicas sofridas pelos grãos armazenados no sistema dinâmico. Por fim, a partir dos dados de perda de matéria seca dos grãos de soja armazenados no sistema dinâmico, procedeu-se a modelagem preditiva com diferentes algoritmos de aprendizagem de máquina. Na primeira parte do estudo, foram utilizados grãos de soja da variedade DM 68I69 Ipro (Campo Verde, Mato Grosso, Brasil). Para análise dos processos de dessorção e adsorção, os grãos de soja apresentavam teor de água de 21,95% (b.s.) e 3,50% (b.s.), respectivamente. O método estático-gravimétrico foi empregado na determinação do teor de água de equilíbrio dos grãos, em diferentes condições de temperatura (10, 20, 30, 40 e 50 °C) e umidade relativa (entre 0,11 a 0,92 ± 2%). Oito modelos matemáticos foram ajustados aos dados experimentais. Na segunda parte do estudo, utilizaram-se duas diferentes variedades de soja nos sistemas dinâmico e estático: Asgrow AG36X6 (Urbana-Champaign, Illinois, Estados Unidos) e DM 68I69 Ipro (Campo Verde, Mato Grosso, Brasil), respectivamente. Os grãos foram armazenados à 25 °C com teores de água de 12, 14, 18, 22% (b.u.) e 12, 14, 18% (b.u.) nos sistemas dinâmico e estático, respectivamente. No sistema dinâmico, o CO2 foi capturado por um material absorvente (Sodasorb®). Já no sistema estático, realizou-se a leitura do CO2 por meio de sensores infravermelhos não-dispersivos. Cinco modelos preditivos foram ajustados aos dados observados da perda de matéria seca dos grãos de soja, sendo os mesmos divididos em duas partições: treinamento e teste, na proporção 90/10, empregando-se validação cruzada (10-fold). Com base nos resultados obtidos, pôde-se concluir na primeira parte do trabalho que: (a) o modelo de Halsey Modificado foi o escolhido para representar a higroscopicidade dos grãos de soja; (b) as isotermas de dessorção e adsorção exibiram formato tipo J, característica de curva do tipo III; (c) os valores do teor de água de equilíbrio obtidos por dessorção são maiores do que os obtidos por adsorção, evidenciando o fenômeno de histerese; (d) a redução do teor de água de equilíbrio provocou aumento da energia necessária para retirar água do produto e aumento da energia liberada pela adsorção da água no produto; (e) a diminuição do teor de água de equilíbrio levou ao aumento dos valores da entropia diferencial de dessorção e adsorção; (f) a energia livre de Gibbs diminuiu com o incremento da temperatura nos processos de dessorção e adsorção; (g) a teoria da compensação entalpia-entropia foi satisfatoriamente aplicada ao fenômeno. Na segunda parte do trabalho, concluiu-se que: (a) comparado com teor de água de 12% (b.u.), a taxa respiratória da soja armazenada no sistema dinâmico aumentou 1,3; 2,8 e 19 vezes para grãos de soja com 14, 18 e 22% (b.u.), respectivamente; (b) comparado com teor de água de 12% (b.u.), a perda de matéria seca da soja armazenada no sistema dinâmico aumentou 1,2; 2,7 e 17 vezes para grãos de soja com 14, 18 e 22% (b.u.), respectivamente; (c) o tempo máximo de armazenamento dos grãos de soja aumentou com a diminuição do teor de água; (d) após o período armazenado, os teores de proteína, lipídios, fibra e cinza dos grãos de soja permaneceram constantes; já o teor de carboidratos diminuiu ao longo do tempo e à medida que o teor de água dos grãos aumentou, sendo mais expressivo em 18 e 22% (b.u.); (e) o nível de aflatoxinas B1, B2, G1 e G2 em grãos de soja com 12, 14 e 18% (b.u.) permaneceu constante ao final do período armazenado; ao passo que grãos armazenados com 22% (b.u.) obteve elevada contaminação por aflatoxinas B1 e B2; (f) as amostras de soja com 12, 14 e 18% (b.u.) foram armazenadas no sistema estático por 18, 14 e 6 dias de armazenamento, com perda de matéria seca de 0,037%, 0,032% e 0,011%, respectivamente; (g) a perda de matéria seca dos grãos de soja armazenados no sistema estático aumentou com o acréscimo do teor de água do produto; (h) a perda de matéria seca dos grãos de soja armazenados no sistema dinâmico foi cerca de 1,35; 1,60 e 3,35 vezes maior, para grãos de soja com 12, 14 e 18% (b.u.), respectivamente, quando comparado ao sistema estático; (i) o modelo preditivo de Árvores Aleatórias foi o escolhido para predizer a perda de matéria seca dos grãos de soja. Palavras-chave: Sorção de água. Histerese. Perda de matéria seca. Quebra técnica. Aprendizado de máquina. O presente trabalho foi realizado em duas partes: análise do equilíbrio higroscópico e da atividade respiratória de grãos de soja armazenados. Na primeira parte, os objetivos do trabalho foram determinar as propriedades higroscópicas (dessorção, adsorção, histerese) e termodinâmicas da sorção de água de grãos de soja. Na segunda parte, objetivou-se avaliar o dióxido de carbono (CO2) e a perda de matéria seca acumulada por grãos de soja armazenados em dois diferentes sistemas de respiração (dinâmico e estático), realizando-se a comparação de ambos os sistemas. Ademais, foram determinados o tempo máximo de armazenagem seguro e as mudanças químicas e biológicas sofridas pelos grãos armazenados no sistema dinâmico. Por fim, a partir dos dados de perda de matéria seca dos grãos de soja armazenados no sistema dinâmico, procedeu-se a modelagem preditiva com diferentes algoritmos de aprendizagem de máquina. Na primeira parte do estudo, foram utilizados grãos de soja da variedade DM 68I69 Ipro (Campo Verde, Mato Grosso, Brasil). Para análise dos processos de dessorção e adsorção, os grãos de soja apresentavam teor de água de 21,95% (b.s.) e 3,50% (b.s.), respectivamente. O método estático-gravimétrico foi empregado na determinação do teor de água de equilíbrio dos grãos, em diferentes condições de temperatura (10, 20, 30, 40 e 50 °C) e umidade relativa (entre 0,11 a 0,92 ± 2%). Oito modelos matemáticos foram ajustados aos dados experimentais. Na segunda parte do estudo, utilizaram-se duas diferentes variedades de soja nos sistemas dinâmico e estático: Asgrow AG36X6 (Urbana-Champaign, Illinois, Estados Unidos) e DM 68I69 Ipro (Campo Verde, Mato Grosso, Brasil), respectivamente. Os grãos foram armazenados à 25 °C com teores de água de 12, 14, 18, 22% (b.u.) e 12, 14, 18% (b.u.) nos sistemas dinâmico e estático, respectivamente. No sistema dinâmico, o CO2 foi capturado por um material absorvente (Sodasorb®). Já no sistema estático, realizou-se a leitura do CO2 por meio de sensores infravermelhos não-dispersivos. Cinco modelos preditivos foram ajustados aos dados observados da perda de matéria seca dos grãos de soja, sendo os mesmos divididos em duas partições: treinamento e teste, na proporção 90/10, empregando-se validação cruzada (10-fold). Com base nos resultados obtidos, pôde-se concluir na primeira parte do trabalho que: (a) o modelo de Halsey Modificado foi o escolhido para representar a higroscopicidade dos grãos de soja; (b) as isotermas de dessorção e adsorção exibiram formato tipo J, característica de curva do tipo III; (c) os valores do teor de água de equilíbrio obtidos por dessorção são maiores do que os obtidos por adsorção, evidenciando o fenômeno de histerese; (d) a redução do teor de água de equilíbrio provocou aumento da energia necessária para retirar água do produto e aumento da energia liberada pela adsorção da água no produto; (e) a diminuição do teor de água de equilíbrio levou ao aumento dos valores da entropia diferencial de dessorção e adsorção; (f) a energia livre de Gibbs diminuiu com o incremento da temperatura nos processos de dessorção e adsorção; (g) a teoria da compensação entalpia-entropia foi satisfatoriamente aplicada ao fenômeno. Na segunda parte do trabalho, concluiu-se que: (a) comparado com teor de água de 12% (b.u.), a taxa respiratória da soja armazenada no sistema dinâmico aumentou 1,3; 2,8 e 19 vezes para grãos de soja com 14, 18 e 22% (b.u.), respectivamente; (b) comparado com teor de água de 12% (b.u.), a perda de matéria seca da soja armazenada no sistema dinâmico aumentou 1,2; 2,7 e 17 vezes para grãos de soja com 14, 18 e 22% (b.u.), respectivamente; (c) o tempo máximo de armazenamento dos grãos de soja aumentou com a diminuição do teor de água; (d) após o período armazenado, os teores de proteína, lipídios, fibra e cinza dos grãos de soja permaneceram constantes; já o teor de carboidratos diminuiu ao longo do tempo e à medida que o teor de água dos grãos aumentou, sendo mais expressivo em 18 e 22% (b.u.); (e) o nível de aflatoxinas B1, B2, G1 e G2 em grãos de soja com 12, 14 e 18% (b.u.) permaneceu constante ao final do período armazenado; ao passo que grãos armazenados com 22% (b.u.) obteve elevada contaminação por aflatoxinas B1 e B2; (f) as amostras de soja com 12, 14 e 18% (b.u.) foram armazenadas no sistema estático por 18, 14 e 6 dias de armazenamento, com perda de matéria seca de 0,037%, 0,032% e 0,011%, respectivamente; (g) a perda de matéria seca dos grãos de soja armazenados no sistema estático aumentou com o acréscimo do teor de água do produto; (h) a perda de matéria seca dos grãos de soja armazenados no sistema dinâmico foi cerca de 1,35; 1,60 e 3,35 vezes maior, para grãos de soja com 12, 14 e 18% (b.u.), respectivamente, quando comparado ao sistema estático; (i) o modelo preditivo de Árvores Aleatórias foi o escolhido para predizer a perda de matéria seca dos grãos de soja. Palavras-chave: Sorção de água. Histerese. Perda de matéria seca. Quebra técnica. Aprendizado de máquina. O presente trabalho foi realizado em duas partes: análise do equilíbrio higroscópico e da atividade respiratória de grãos de soja armazenados. Na primeira parte, os objetivos do trabalho foram determinar as propriedades higroscópicas (dessorção, adsorção, histerese) e termodinâmicas da sorção de água de grãos de soja. Na segunda parte, objetivou-se avaliar o dióxido de carbono (CO2) e a perda de matéria seca acumulada por grãos de soja armazenados em dois diferentes sistemas de respiração (dinâmico e estático), realizando-se a comparação de ambos os sistemas. Ademais, foram determinados o tempo máximo de armazenagem seguro e as mudanças químicas e biológicas sofridas pelos grãos armazenados no sistema dinâmico. Por fim, a partir dos dados de perda de matéria seca dos grãos de soja armazenados no sistema dinâmico, procedeu-se a modelagem preditiva com diferentes algoritmos de aprendizagem de máquina. Na primeira parte do estudo, foram utilizados grãos de soja da variedade DM 68I69 Ipro (Campo Verde, Mato Grosso, Brasil). Para análise dos processos de dessorção e adsorção, os grãos de soja apresentavam teor de água de 21,95% (b.s.) e 3,50% (b.s.), respectivamente. O método estático-gravimétrico foi empregado na determinação do teor de água de equilíbrio dos grãos, em diferentes condições de temperatura (10, 20, 30, 40 e 50 °C) e umidade relativa (entre 0,11 a 0,92 ± 2%). Oito modelos matemáticos foram ajustados aos dados experimentais. Na segunda parte do estudo, utilizaram-se duas diferentes variedades de soja nos sistemas dinâmico e estático: Asgrow AG36X6 (Urbana-Champaign, Illinois, Estados Unidos) e DM 68I69 Ipro (Campo Verde, Mato Grosso, Brasil), respectivamente. Os grãos foram armazenados à 25 °C com teores de água de 12, 14, 18, 22% (b.u.) e 12, 14, 18% (b.u.) nos sistemas dinâmico e estático, respectivamente. No sistema dinâmico, o CO2 foi capturado por um material absorvente (Sodasorb®). Já no sistema estático, realizou-se a leitura do CO2 por meio de sensores infravermelhos não-dispersivos. Cinco modelos preditivos foram ajustados aos dados observados da perda de matéria seca dos grãos de soja, sendo os mesmos divididos em duas partições: treinamento e teste, na proporção 90/10, empregando-se validação cruzada (10-fold). Com base nos resultados obtidos, pôde-se concluir na primeira parte do trabalho que: (a) o modelo de Halsey Modificado foi o escolhido para representar a higroscopicidade dos grãos de soja; (b) as isotermas de dessorção e adsorção exibiram formato tipo J, característica de curva do tipo III; (c) os valores do teor de água de equilíbrio obtidos por dessorção são maiores do que os obtidos por adsorção, evidenciando o fenômeno de histerese; (d) a redução do teor de água de equilíbrio provocou aumento da energia necessária para retirar água do produto e aumento da energia liberada pela adsorção da água no produto; (e) a diminuição do teor de água de equilíbrio levou ao aumento dos valores da entropia diferencial de dessorção e adsorção; (f) a energia livre de Gibbs diminuiu com o incremento da temperatura nos processos de dessorção e adsorção; (g) a teoria da compensação entalpia-entropia foi satisfatoriamente aplicada ao fenômeno. Na segunda parte do trabalho, concluiu-se que: (a) comparado com teor de água de 12% (b.u.), a taxa respiratória da soja armazenada no sistema dinâmico aumentou 1,3; 2,8 e 19 vezes para grãos de soja com 14, 18 e 22% (b.u.), respectivamente; (b) comparado com teor de água de 12% (b.u.), a perda de matéria seca da soja armazenada no sistema dinâmico aumentou 1,2; 2,7 e 17 vezes para grãos de soja com 14, 18 e 22% (b.u.), respectivamente; (c) o tempo máximo de armazenamento dos grãos de soja aumentou com a diminuição do teor de água; (d) após o período armazenado, os teores de proteína, lipídios, fibra e cinza dos grãos de soja permaneceram constantes; já o teor de carboidratos diminuiu ao longo do tempo e à medida que o teor de água dos grãos aumentou, sendo mais expressivo em 18 e 22% (b.u.); (e) o nível de aflatoxinas B1, B2, G1 e G2 em grãos de soja com 12, 14 e 18% (b.u.) permaneceu constante ao final do período armazenado; ao passo que grãos armazenados com 22% (b.u.) obteve elevada contaminação por aflatoxinas B1 e B2; (f) as amostras de soja com 12, 14 e 18% (b.u.) foram armazenadas no sistema estático por 18, 14 e 6 dias de armazenamento, com perda de matéria seca de 0,037%, 0,032% e 0,011%, respectivamente; (g) a perda de matéria seca dos grãos de soja armazenados no sistema estático aumentou com o acréscimo do teor de água do produto; (h) a perda de matéria seca dos grãos de soja armazenados no sistema dinâmico foi cerca de 1,35; 1,60 e 3,35 vezes maior, para grãos de soja com 12, 14 e 18% (b.u.), respectivamente, quando comparado ao sistema estático; (i) o modelo preditivo de Árvores Aleatórias foi o escolhido para predizer a perda de matéria seca dos grãos de soja. Palavras-chave: Sorção de água. Histerese. Perda de matéria seca. Quebra técnica. Aprendizado de máquina.