Tecnologia Científica

Tecnologias de resfriamento evaporativo para preservação de frutas e vegetais no Quênia
Uma equipe de pesquisadores do MIT está usando as propriedades termodinâmicas da evaporação da água para levar o armazenamento refrigerado de produtos fora da rede a regiões áridas e remotas.
Por Oona Gaffney - 16/10/2020


Da esquerda para a direita: Alex Encinas, Júnior do MIT em engenharia mecânica; Mwachoni El-Yahkim da Universidade de Nairobi; Eric Verploegen, engenheiro de pesquisa do MIT D-Lab; Boniface Manambo, da Universidade de Nairobi; Christine Padalino, Júnior do MIT em engenharia química; e Madeline Bundy, sênior do MIT em engenharia química, estão em frente a uma câmara de resfriamento evaporativo que construíram na Universidade de Nairóbi, no Quênia. Créditos:Foto cedida pelo MIT D-Lab

Para os pequenos agricultores que vivem em regiões quentes e áridas, obter produtos frescos para o mercado e vendê-los ao melhor preço é um ato de equilíbrio. Se as safras não forem vendidas cedo o suficiente, elas murcham ou amadurecem muito rapidamente com o calor e os agricultores têm de vendê-las a preços reduzidos. Vender os produtos pela manhã é uma estratégia que muitos agricultores usam para vencer o calor e garantir o frescor, mas isso resulta em excesso de oferta e concorrência nos mercados e reduz ainda mais o valor dos produtos vendidos. Se os agricultores pudessem resfriar suas colheitas - mantendo temperaturas baixas para mantê-los frescos por mais tempo - eles poderiam trazer produtos frescos de alta qualidade para os mercados da tarde e vendê-los a preços melhores. O acesso ao armazenamento refrigerado também pode permitir que os produtores colham mais produtos antes de ir para os mercados,

Infelizmente, muitas comunidades de pequenos agricultores não têm acesso aos recursos de energia necessários para apoiar tecnologias de preservação de alimentos, como refrigeração. Para enfrentar este desafio, uma equipe de pesquisa do MIT financiada por uma doação inicial de 2019 do Laboratório de Sistemas de Água e Alimentos Abdul Latif Jameel (J-WAFS) está combinando experiência em engenharia mecânica, arquitetura e sistemas de energia para projetar armazenamento refrigerado fora da rede acessível unidades para culturas perecíveis. Três investigadores principais do MIT estão liderando esse esforço: Leon Glicksman, professor de tecnologia de construção e engenharia mecânica no Departamento de Arquitetura; Daniel Frey, professor do Departamento de Engenharia Mecânica e diretor do corpo docente de pesquisa do MIT D-Lab; e Eric Verploegen, engenheiro de pesquisa do MIT D-Lab. Eles também estão colaborando com pesquisadores da Universidade de Nairobi para estudar o impacto de vários projetos de câmaras diferentes no desempenho e na usabilidade no Quênia. Juntos, eles estão procurando desenvolver uma instalação de armazenamento cooperativo em grande escala e econômica que use as propriedades de resfriamento evaporativo da água para manter as colheitas mais frescas por mais tempo.

Resfriamento evaporativo

O resfriamento evaporativo envolve a dinâmica de energia da mudança de fase da água do estado líquido para o estado gasoso. Simplificando, quando o ar seco se move através de uma superfície saturada, como um recipiente cheio de água, as moléculas de água absorvem uma grande quantidade de calor conforme mudam de líquido para gás, resfriando o ar ao redor. O resfriamento evaporativo não é um conceito novo. As pessoas têm aproveitado essa propriedade da água para resfriar edifícios e manter as colheitas frescas por milhares de anos. Hoje, em muitas regiões áridas, as pessoas usam um sistema de panela dupla de barro para aproveitar o processo de resfriamento evaporativo para prolongar o frescor de frutas e vegetais. Conhecido como cooler pot-in-pot ou pote Zeer, o espaço entre um pote de cerâmica maior e o menor é preenchido com areia e mantido úmido. Conforme a água evapora através das paredes do vaso, 

No entanto, embora os refrigeradores de panela de barro possam ser eficazes para uso doméstico individual, eles são limitados por sua capacidade de armazenamento. Algumas estratégias de armazenamento de produtos em larga escala que usam resfriamento evaporativo existem e estão em uso no Quênia e em outros países e regiões áridas. Na verdade, Verploegen tem focado sua pesquisa no MIT D-Lab em tecnologias de resfriamento evaporativo desde 2016, resultando na produção de vários projetos atualmente em estágio piloto.

Mesmo assim, o tamanho ainda é um desafio. Existem hoje poucos projetos grandes o suficiente para armazenar efetivamente várias toneladas métricas de produtos e que satisfaçam critérios importantes como facilidade de construção, qualidade de desempenho e acessibilidade, o que atenderia às necessidades de armazenamento para colheitas maiores ou grupos de agricultores. Existem projetos para refrigeração mecânica movida a energia solar; no entanto, os custos associados à energia, implementação e manutenção dessas unidades são proibitivos para muitos pequenos agricultores em todo o mundo. Em parceria com Frey e Gliskman para esse esforço financiado pelo J-WAFS, o grupo tem como objetivo resolver essa falta de acesso. “Para nós, as perguntas se tornaram: 'Como podemos dimensionar as técnicas de resfriamento evaporativo e melhorar as formas existentes que as pessoas têm usado por séculos?'”, Reflete Glicksman. Com isso em mente,

Sustentabilidade como linha de base do design

Inicialmente, o foco da equipe era melhorar o desempenho das tecnologias de câmara de resfriamento existentes. “Trabalhamos com o pessoal local [no Quênia] e construímos alguns dos projetos mais tradicionais que usam carvão”, diz Verploegen. “No entanto, o que descobrimos foi que esses esforços eram muito trabalhosos, demorados e, em geral, não muito replicáveis.” Com base na pesquisa de usuário em andamento realizada por equipes da Universidade de Nairóbi e do MIT D-Lab, os pesquisadores têm explorado diferentes tipos de materiais para a estrutura e estabelecidos em contêineres de transporte como base para a câmara. 

Acontece que a altura e a largura de um contêiner atendem às especificações de dimensão dos requisitos dos usuários. Além disso, o uso de contêineres de remessa oferece a oportunidade de otimizar o ciclo de materiais usados ​​existentes. “Estou sempre verificando onde contêineres usados ​​estão disponíveis e verificando os preços em vários países para nosso modelo de custo”, admite Verploegen. Então, em seu projeto atual, eles adaptaram um contêiner de transporte com uma parede de isolamento de dupla camada, um ventilador movido a energia solar para forçar o ar através de uma matriz central de almofadas úmidas e caixas de armazenamento internas dispostas para maximizar as taxas de convecção e resfriamento e facilidade usar. 

Este projeto é informado por vários modelos analíticos que a equipe de pesquisa continua a desenvolver. Os modelos avaliam o efeito que diferentes materiais de resfriamento evaporativo, arranjos de caixas de armazenamento de produtos e materiais isolantes externos têm na eficiência e funcionalidade da câmara de resfriamento. Esses modelos ajudam a maximizar a capacidade de resfriamento, minimizando o uso de água e energia e também informam as decisões sobre as escolhas de materiais.

Uma dessas decisões foi a transição do carvão úmido como meio de resfriamento evaporativo. O carvão é comumente usado como um material de membrana de resfriamento, mas a liberação de CO 2 durante o processo de tratamento de queima e os efeitos ambientais negativos subsequentes o tornaram menos atraente para a equipe. Atualmente, eles estão experimentando fibras de álamo tremedor à base de plantas e almofadas de celulose corrugada, que são uma solução econômica e ambientalmente sustentável. Por último, a equipe instalou um sistema de controle eletrônico movido a energia solar que permite aos agricultores automatizar o ventilador da câmara e as bombas d'água, aumentando a eficiência e minimizando os requisitos de manutenção. 

Colaborando no exterior

Fundamental para o desenvolvimento do projeto de pesquisa é a colaboração com pesquisadores da Universidade de Nairobi (UON), no Quênia. A professora Jane Ambuko, uma horticultora líder da UON no Departamento de Ciência de Plantas e Proteção de Culturas, é bem versada em tecnologias pós-colheita. Além de seu conhecimento especializado sobre fisiologia da colheita e os efeitos do resfriamento na produção, Ambuko está bem conectada com a comunidade agrícola local do Quênia e forneceu à equipe apresentações essenciais para os agricultores locais dispostos a testar os protótipos de câmara da equipe. Outro colaborador, Duncan Mbuge, um engenheiro agrícola do Departamento de Engenharia Ambiental e de Biossistemas da UON, foi capaz de fornecer informações sobre o projeto, construção e seleção de materiais para as câmaras de resfriamento.

O projeto também envolveu o intercâmbio entre os alunos do MIT D-Lab e da UON, e esta colaboração abriu caminhos adicionais para ambas as instituições trabalharem juntas. “A troca de ideias [com o MIT] foi mutuamente benéfica”, diz Mbuge, “o resultado líquido foi uma melhoria geral na tecnologia”. Os dois professores, junto com seus alunos de pesquisa, continuaram monitorando e gerenciando a estrutura piloto construída no Quênia. “Juntos, com a experiência da equipe do MIT, nos completamos”, acrescenta Ambuko.

“Os pesquisadores da UON têm toda uma história e conhecimento institucional dos desafios que projetos previamente testados enfrentaram em contextos do mundo real”, diz Verploegen, acrescentando que isso foi essencial para mover os projetos do MIT do conceito à prática. Os agricultores também desempenharam um papel importante na definição do design e implementação desta tecnologia. Seguindo o modelo D-Lab, as equipes de pesquisa do MIT e da UON trabalharam juntas para realizar uma série de entrevistas e grupos de foco em comunidades agrícolas para aprender diretamente com os usuários sobre suas necessidades. Os agricultores dessas comunidades têm insights importantes sobre como projetar uma câmara de resfriamento prática e eficaz adequada para uso por cooperativas agrícolas. Dado que terá mais de um usuário, os fazendeiros pediram um arranjo de empilhamento de caixas que permitirá um gerenciamento de estoque fácil. Os agricultores apontaram benefícios adicionais das câmaras de resfriamento evaporativo. “Disseram-nos que esses contêineres também podem fornecer proteção especial contra roedores”, Frey explica, “isso é muito importante para os agricultores com quem trabalhamos”.

Impactos potenciais

No geral, os modelos da equipe indicam que um contêiner padrão de 12 metros de comprimento equipado como um resfriador evaporativo será capaz de armazenar entre 6.500 e 8.000 quilos de produtos. O custo de construção da câmara provavelmente será de US $ 7.000 a US $ 8.000, o que, em comparação com opções refrigeradas mecanicamente de tamanho semelhante, oferece uma redução de custo de mais de 50 por cento, tornando este novo projeto muito lucrativo para cooperativas agrícolas. Uma das maneiras de a equipe manter os custos de produção baixos é usando materiais locais e uma estratégia de manufatura centralizada. “Temos a mentalidade de que construir uma tecnologia desse tamanho e complexidade centralmente e depois distribuí-la localmente é a melhor maneira de torná-la acessível e viável para essas comunidades”, diz Verploegen. 

Há muitos benefícios em tornar as tecnologias acessíveis e replicáveis ​​por membros de comunidades específicas. O desenvolvimento colaborativo é a base do trabalho do D-Lab, o programa acadêmico e de pesquisa do qual Verploegen e Frey fazem parte. “Na D-Lab, estamos interessados ​​em plantar a ideia de que o envolvimento da comunidade é fundamental para adaptar as soluções tecnológicas às necessidades das pessoas e maximizar o uso da solução resultante”, diz Frey. Embora se espere que uma ênfase na cocriação resulte na adesão da comunidade para sua solução de resfriamento, a fabricação centralizada e a construção dos contêineres são uma estratégia adicional que visa garantir a acessibilidade e o preço acessível da tecnologia para as comunidades que visam servir. 

Embora o projeto atual tenha sido desenvolvido para fazendeiros perto de Nairóbi, no Quênia, esses dispositivos de resfriamento evaporativo podem ser implantados em uma série de outras regiões do Quênia, bem como em partes da África Ocidental e regiões do oeste da Índia, como Rajastão e Gujarat. Verploegen, que também está liderando um esforço financiado pelo J-WAFS sobre resfriamento evaporativo por meio do Subsídio J-WAFS para Projetos de Água e Alimentos na Índia, está desenvolvendo projetos para armazenamento de safras para fazendas no oeste da Índia. Ele diz que “a escala de necessidade é o que determina que tipo de tecnologia de resfriamento evaporativo uma comunidade pode precisar”. Seu trabalho na Índia está focado em ajudar a disseminar tecnologias menores e construídas no local onde serão utilizadas, usando tijolo e areia. Ele também está “ajudando a torná-los mais eficientes e melhorando o design para melhor atender às necessidades locais”.

Em última análise, o objetivo da equipe de pesquisa é fazer de sua câmara de resfriamento evaporativo algo que as comunidades agrícolas locais usem e se beneficiem de forma consistente. Para fazer isso, eles precisam “apresentar não apenas a solução do MIT, mas uma solução que as pessoas no local encontrem a melhor para eles”, diz Glicksman. Eles esperam que essa tecnologia não ajude apenas os produtores economicamente, mas também possibilite uma ampla capacidade de armazenamento e preservação de alimentos, permitindo melhor acesso das populações aos produtos frescos.