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

Abstract

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.

The present work was conducted in two parts: hygroscopic equilibrium and respiratory activity of stored soybeans. In the first part, the aims of the work were determined the hygroscopic (desorption, adsorption, hysteresis) and thermodynamic properties of water sorption of soybeans. In the second part, the objective was to evaluate carbon dioxide (CO2) and dry matter loss accumulated by soybeans stored in two different respiration systems (dynamic and static), comparing both systems. In addition, the maximum safe storage time and the chemical and biological changes occurred in grain stored in the dynamic system were determined. Finally, from the dry matter loss data of soybean stored in the dynamic system, predictive modeling was performed with different machine learning algorithms. In the first part of the study, soybeans of the DM 68I69 Ipro variety (Campo Verde, Mato Grosso, Brazil) were used. To analyze the desorption and adsorption processes, the soybeans contained 21.95% (w.b.) and 3.50% (w.b.) of moisture content, respectively. The static-gravimetric method was used to determine the equilibrium moisture content of the grains, under different temperature conditions (10, 20, 30, 40 and 50 °C) and relative humidity (between 0.11 to 0.92 ± 2%). Eight mathematical models were fitted to the experimental data. In the second part of the study, two different soybean varieties were used in the dynamic and static systems: Asgrow AG36X6 (Urbana-Champaing, Illinois, United States) and DM 68I69 Ipro (Campo Verde, Mato Grosso, Brazil), respectively. The grains were stored at 25 °C with moisture content of 12, 14, 18, 22% (w.b.) and 12, 14, 18% (w.b.) in the dynamic and static systems, respectively. In the dynamic system, CO2 was captured by an absorbent material (Sodasorb®). In the static system, CO2 was read by means of non-dispersive infrared sensors. Five predictive models were adjusted to observed data of the dry matter loss of soybean and divided in two partitions: training and test, in 90/10 proportion, using cross-validation (10-fold). Based on the results obtained, it was concluded in the first part of the work: (a) the Modified Halsey model was chosen to represent the hygroscopicity of soybeans grains; (b) the desorption and adsorption isotherms exhibited type J format, characteristic of type III curve; (c) the equilibrium moisture content values obtained by desorption are higher than the values obtained by adsorption, showing the hysteresis phenomenon; (d) the reduction in the equilibrium moisture content caused an increase of energy needed to remove water from the product and an increase of released energy by the water adsorption in the product; (e) the decrease in the equilibrium moisture content led to an increase in the values of the differential entropy of desorption and adsorption; (f) Gibbs free energy decreased with increasing temperature in the desorption and adsorption processes; (g) the enthalpy-entropy compensation theory was satisfactorily applied to the phenomenon. In the second part of the work, it was concluded: (a) compared to 12% (w.b.) of moisture content, the respiratory rate of soybeans stored int eh dynamic system increased 1.3; 2.8 and 19 times for soybeans with 14, 18 and 22% (w.b.), respectively; (b) compared to 12% (w.b.) of moisture content, the dry matter loss of soybean stored in the dynamic system increased 1.2; 2.7 and 17 times for soybeans with 14, 18 and 22% (w.b.), respectively; (c) the maximum storage time of soybeans increased with decreasing moisture content; (d) after the stored period, the protein, lipid, fiber and ash contents of soybeans remained constant; the carbohydrate content decreased over time as the moisture content of the grains increased, being more expressive in 18 and 22% (w.b.); (e) the level of aflatoxins B1, B2, G1 and G2 in soybean with 12, 14 and 18% (w.b.) remained constant at the end of the stored period; whereas grains stored with 22% (w.b.) obtained high contamination by aflatoxins B1 and B2; (f) soybeans samples with 12, 14 and 18% (w.b.) were stored in the static system for 18, 14 and 6 days of storage, with dry matter loss of 0.037%, 0.032% and 0.011%, respectively; (g) dry matter loss of soybeans stored in the static system increased with the increase in the product moisture content; (h) dry matter loss of soybeans stored in the dynamic system was around 1.35; 1.60 and 3.35 times higher, for soybeans with 12, 14 and 18% (w.b.), respectively, when compared to the static system; (i) the Random Forest model was chosen to predict the dry matter loss of soybeans stored. Keywords: Water sorption. Hysteresis. Dry matter loss. Breakage technical. Machine learning.