4 BALANÇO MASSA E ENERGIA
4.1 Balanço de massa
Para cálculos do balanço de massa foram considerados a receita da cerveja para uma batelada de 1000 L (tabela 5).
Tabela 5 - Receita da cerveja para uma batelada de 1000 L.
MATÉRIA PRIMA Malte 180 Kg Resíduo de pão 84,6 Kg LÚPULO Hallertau Tradition T90 (Fervura 90 min) 2,3 Kg LEVEDURA SafAle WB-06 0,85 KG MOSTURA Repouso 65 °C 20 minutos Repouso 72 °C 40 minutos Repouso 78 °C 10 minutos FILTRAÇÃO
Densidade do mosto primário 1063 g/L FERVURA
Densidade antes do início da
fervura 1040 g/L
Tempo de fervura 90 min
Densidade do mosto pós
fervura 1046 g/L
FERMENTAÇÃO Temperatura
Densidade final 1010 g/L MATURAÇÃO Tempo 15 dias Temperatura 2 °C ASPECTOS GERAIS Álcool (v/v) 4,70%
Fonte: Adapatado de Delcor (2019).
Segundo JÚNIOR & CRUZ (2010),o balanço de massa total consiste na massa total de todos os componentes que entram e saem do sistema. A produção da cerveja ocorre num sistema de batelada, onde a alimentação é introduzida numa única vez no início do processo e os produtos são retirados durante algumas etapas por meio de uma fronteira, seja ela uma corrente, um equipamento ou processo. A figura 25 representa a equação geral do balanço de massa.
Figura 25 - Equação geral de balanço de massa
Fonte: Elaborada pela própria autora, 2021. Onde:
m
entra = massa que entra por meio das fronteiras do sistema;m
sai = massa que sai por meio das fronteiras do sistema;m
gerada = massa produzida dentro do sistema;m
consumida = massa consumida dentro do sistema;m
acumulada = massa acumulada dentro do sistema (dm/dt).Considerando a produção da cerveja um processo em batelada, não havendo reações químicas e apenas uma única entrada de alimentação inicial no instante (t=0) e uma única saída após um tempo decorrido (instante final: tf), dessa maneira, a equação do balanço de massa geral é descrita pela equação 1.
Equação 1 – Equação de balanço de massa geral 𝑑𝑚
𝑑𝑡 = 0
Onde: dm/dt representa o acúmulo.
Depois de integrar a equação 1, de um instante (ti = 0), onde ocorre a entrada da massa no instante inicial (mentra) até o último instante (tf), onde temos uma massa que sai naquele instante (msai), com isso temos a equação final do balanço de massa (equação 2).
Equação 2 - Equação final para o balanço global em regime de batelada e sem reação química.
𝑚
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 =𝑚
𝑠𝑎𝑖A base de cálculo foi estabelecida de acordo com a quantidade de cerveja a ser obtida ao final do processo, de 1000L/batelada, para atender a demanda do mercado e a capacidade produtiva da indústria. Para os cálculos não foi considerado as etapas de maturação, resfriamento e pasteurização, pois não ocorrem variações de massa significativa. Dessa maneira, os cálculos devem ser iniciados na etapa de carbonatação.
4.1.1 Carbonatação
Segundo os estudos de Aquarone et al. (2001), antes do envase a cerveja apresenta 2,5 a 2,8 (v/v) de gás carbônico, tendo em vista que a cerveja não atingi a concentração desejada do gás, deve se adicionar em torno de 2,65 % (v/v) no processo. Para uma batelada de 1000 L, deve se adicionar 26,5 kg de gás carbônico. De acordo com a FISPQ 119 elaborada pela White Martins (2001), o gás carbônico apresenta uma densidade de 1,522 g/L. Multiplicando esse valor pela quantidade a ser adicionada, temos 40,33 g ou 0,040 kg de gás carbônico para 1000 L de cerveja.
A tabela 5, apresenta a densidade final da cerveja igual a 1010 g/L, calculando o volume final, considerando 1000 L, temos que a massa final da cerveja deve ser de 1010 kg.
Utilizando a equação 2, pode se determinar a quantidade de mosto clarificado adicionado a essa etapa.
𝑚
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 =𝑚
𝑠𝑎𝑖m
mosto clarificado +m
CO2=m
cervejam
mosto clarificado = 1009,96 kgA figura 26 representa o balanço de massa na etapa de carbonatação.
Figura 26 - Balanço de massa na etapa de carbonatação.
Fonte: Elaborada pela autora,2021.
4.1.2 Fermentação
Antes do início da fermentação é adicionado ao mosto o extrato de seriguela, que apresenta uma densidade de 1115 g/L, calculado em laboratório experimental. Foi utilizado 120 L de extrato da fruta, multiplicado pela densidade, temos 133,8 kg de extrato de seriguela para 1010 kg de cerveja.
De acordo com a receita apresentada na tabela 5, o teor de álcool (v/v) na cerveja pronta é de 4,7 %, portanto, 1000 L de cerveja tem se 47 L de etanol. De acordo com Delcor (2019), a densidade do álcool etílico é de 789 g/L, esse valor multiplicado pelo volume de etanol, temos o total de 37,08 kg de etanol para 1010 kg de cerveja.
Segundo Delcor (2019) o etanol constituinte da cerveja é proveniente da fermentação das leveduras. De acordo com a reação da fermentação alcoólica, pode-se obter as quantidades de 124,85 kg de açúcares fermentáveis e 0,85 kg de levedura formando 37,08 kg de etanol e 34,96 kg de CO2.
𝑎çú𝑐𝑎𝑟 + 𝑙e𝑣𝑒𝑑𝑢𝑟𝑎 + 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜 → 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 + 𝐶𝑂2
150𝑔/𝐿 ∶ 1 𝑔/𝐿 ∶ 0,025𝑔/𝐿 ∶ 45𝑔/𝐿 ∶ 42𝑔/L 124,85 kg : 0,85 kg : 2,08 kg : 37,08 kg : 34,96 kg
De acordo com o balanço de massa (equação 2), obteve-se a quantidade do mosto aerado.
𝑚
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 =𝑚
𝑠𝑎𝑖m
mosto aerado +m
levedura =m
CO2 +m
mosto clarificadom
mosto aerado + 0,85 kg = 37,08 kg + 1009,96 kgm
mosto aerado = 1046,19 kgConsiderando a adição de 133,8 kg de extrato de seriguela, juntamente com o mosto aerado 1046,19 kg e a levedura 0,85 kg, temos a quantidade de material durante a fermentação. O açúcar proveniente da fermentação forma 37,08 kg de CO2 que é eliminado nesta etapa.
Portanto, o mosto resultante da fermentação corresponde a 1143,76 kg de cerveja (figura 27).
Figura 27 - Balanço de massa na etapa de fermentação.
Fonte: Elaborada pela própria autora, 2021.
4.1.3 Aeração
Segundo Parker (2008), para obter se a concentração adequada de ar no mosto, deve-se injetar 180 litros de ar estéril em 1,6 hectolitros de mosto. De acordo com a receita (tabela 5) a densidade do mosto após fervura é igual a 1046 g/L, deve se considerar a mesma para o mosto aerado, com isso o volume do mosto aerado é de 1000,2 L ou 10,00 hL. Utilizando a proporção de ar estéril necessário, será necessário 1125 l de ar estéril. A densidade do oxigênio em 1 atm é igual a 1,105 g/L (DELCOR,2019), portanto, será adicionado ao mosto 1,24 kg de oxigênio. Calculando o balanço de massa na aeração, por meio da equação 2, pode se determinar a quantidade do mosto após o trub quente e o que a sai da aeração.
𝑚
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 =𝑚
𝑠𝑎𝑖mtrup quente + marestéril = mmostoaerado
mtrup quente + 1,24 kg = 1046,19 kg
mtrup quente = 1044,95 kg
A figura 28, representa o balanço de massa na aeração.
Figura 28 - Balanço de massa na etapa de aeração.
Fonte: Elaborada pela própria autora, 2021.
4.1.4 Trub quente
A quantidade de trub quente retirado varia em torno de 0,22 – 0,26 kg/hL de mosto considerando a média, 0,24 kg/Hl (CENTRAL BREW,2021). A partir da densidade do mosto 1046 g/l e a massa 1044,95 kg após a retirada do trub é determinado o volume de saída igual a 1000 L e uma massa de trub quente igual a 2,40 kg.
Utilizando a equação 2, determina se o balanço de massa nessa etapa.
𝑚
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 =𝑚
𝑠𝑎𝑖m
mosto pós ebulição =m
trub quente +m
mosto pós retirada do trubm
mosto pós ebulição = 2,40 kg + 1044,95 kgm
mosto pós ebulição = 1047,35 kgDessa maneira, antes da retirada do trub quente tem se 1047,35 kg de mosto. A figura 29 demonstra o balanço de massa nessa etapa.
Figura 29 - Balanço de massa na etapa de retirada do trub quente.
Fonte: Elaborada pela própria autora, 2021.
4.1.5 Ebulição do mosto
Segundo Venturini (2001), durante a ebulição do mosto, a taxa de evaporação do volume do mosto pode ser entre 5 e 10% por hora. Considerando o valor aproximado da média, a taxa de evaporação para fins de cálculo será de 8%. De acordo com a receita (tabela 5), o tempo de fervura é de 90 minutos, portanto, 12% do mosto é evaporado nessa etapa. Considerando a densidade e a massa do mosto de 1046 g/L e 1047,35kg respectivamente, o volume evaporado na fervura é de 120,15 L de vapor d’água.
De acordo com Delcor (2019), a densidade da água é de 1 atm e 100°C é de 958,4 g/L multiplicando pelo volume de vapor eliminado, conclui se que 115,15 kg de massa de vapor é eliminado no processo. Como demonstra a receita (tabela 5) são adicionados 2,3 kg de lúpulo, por meio da equação 2 pode se calcular o balanço nessa etapa.
𝑚
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 =𝑚
𝑠𝑎𝑖m
mosto clarificado +m
lúpulo =m
vapor +m
mosto pós ebuliçãom
mosto clarificado + 2,3 kg = 115,15 kg + 1047,35 kgm
mosto clarificado = 1160,2 kgFigura 30 - Balanço de massa na etapa de ebulição.
Fonte: Elaborada pela própria autora, 2021.
4.1.6 Mosturação e clarificação
Pode-se considerar as duas etapas como um único processo de controle, tendo em vista que o bagaço que sai da clarificação depende diretamente da quantidade de malte e resíduo de pão adicionado à mosturação.
De acordo com a receita (tabela 5), 180 kg de malte e 84,6 kg de pão compõem as fontes de açúcares fermentáveis do mosto. Segundo Dinslaken (2016), a proporção de água primária utilizada na mosturação é de 2,5 L de água/kg de grão (malte e resíduo de pão), portanto para 264,6 kg de grão são necessários 661,5 L de água. Considerando a densidade 1000g/L (DELCOR, 2019), é necessário 661,5 kg de água entrando na misturação.
Cada 100 kg de grão utilizado gera em torno de 125 a 130 kg de bagaço úmido (FILLAUDEAU et al., 2006). Considerando o valor médio de 127,5 kg para cálculo do bagaço úmido, temos então que utilizando 264,6 kg de grão são gerados 337,36 kg de bagaço úmido.
𝑚
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 =𝑚
𝑠𝑎𝑖m
água primaria +m
malte e pão + máguasecundaria =m
resíduo +m
mosto clarificado 661,5 kg + 264,6 kg +máguasecundaria = 337,36 + 1160,2 kgContudo, deve-se adicionar 571,46 kg de água secundária no processo. A figura 31 representa o balanço de massa nessas duas etapas.
Figura 31 - Balanço de massa na mosturação e filtração.
Fonte: Elaborada pela própria autora, 2021.
A soma da água primária com o malte e resíduo de pão equivale a 926,1 kg, isso define o volume na tina de mosturação, considerando a densidade 1063 g/L, tem se o equivalente a 871,21 L de mosto.