Balanço de massa se caracteriza como o estudo da transferência de massa que acontece em operações unitárias em uma indústria (STEPHANI; PERRONE, 2012). Essa atividade é feita por meio de equações para determinar quanto de produto entra e sai de cada operação, incluindo as vezes neste processo misturas de mais de um produto, acúmulos, gerações e taxas de tempo para processos contínuos.

Como as etapas deste processo não terão nenhum ou quase nenhum (desconsiderável) acúmulo, geração ou consumo, pode-se usar a equação de balanço de massa (equação 1) apenas com entrada e saída de massa.

∑ 𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ∑ 𝑚𝑠𝑎í𝑑𝑎 (equação 1)

Algumas etapas do balanço de massa podem ser consideradas sem perdas ou ganhos de massa, assim sendo imutável a quantidade de massa que entra e sai de operações específicas, são elas: a homogeneização do leite, a pasteurização e os resfriamentos. Outras etapas, a serem

detalhadas neste capítulo, necessitam de atenção nas suas entradas para atender a quantidade requerida de produto nas saídas, são elas: a padronização, a inoculação, a fermentação, a homogeneização e o envase.

5.1.BALANÇO DE MASSA DA HOMOGENEIZAÇÃO DO PREPARADO DE MARACUJÁ O balanço de massa será iniciado pela homogeneização, pois é preciso saber o quanto de produto será produzido para se quantificar a matéria-prima necessária nas etapas anteriores.

O valor estipulado para cada batelada de produto final são de 500 kg de iogurte de maracujá, sendo que a fração de cada mistura desejada será 15% do concentrado de maracujá e 85% de iogurte (figura 13). Desta forma, foram aplicadas as fórmulas de balanço de massa para achar as outras incógnitas.

Figura 13 – Balanço de massa no misturador.

Fonte: autor.

Primeiramente foi realizado o balanço de massa por componente (equação 2), para encontrar a massa de uma das incógnitas necessárias para o cálculo do balanço de massa global.

Foi escolhida a fração mássica do preparado de maracujá (mpm) para esta primeira parte do equacionamento:

Considerando miog a massa do iogurte, mpf a massa do produto final e xpm a fração de preparado de maracujá, mentrada a massa de entrada no processo e msaída a massa de saída no processo, tem-se,

𝑚𝑖𝑜𝑔. 𝑥𝑝𝑚+ 𝑚𝑝𝑚. 𝑥𝑝𝑚 = 𝑚𝑝𝑓. 𝑥𝑝𝑚 (equação 2)

Como o balanço de massa será feito em função da fração do preparado de maracujá em cada massa da equação, poderá ser desconsiderado o primeiro termo da equação, pois não há fração de preparado de maracujá na massa do iogurte (miog),

𝑚𝑝𝑚. 1 = 500𝑘𝑔 . 0,15

𝑚𝑝𝑚 = 75𝑘𝑔

Substituindo o valor encontrado de mpm no balanço de massa global,

∑ 𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ∑ 𝑚𝑠𝑎í𝑑𝑎 (equação 1) 𝑚𝑖𝑜𝑔+ 𝑚𝑝𝑚 = 𝑚𝑝𝑓

𝑚𝑖𝑜𝑔 = 500𝑘𝑔 − 75𝑘𝑔

𝑚𝑖𝑜𝑔 = 425𝑘𝑔

Após encontrado estes valores, é possível conhecer o quanto de preparado de maracujá é necessário adicionar no tanque de mistura para depois envasar o produto em garrafas de 500g.

Com os resultados podemos seguir para a próxima etapa do balanço.

5.2.BALANÇO DE MASSA DA FERMENTAÇÃO

O processo de fermentação, no iogurte, acontece quando os microrganismos, presentes no fermento, agem na transformação da lactase, presente no leite, em ácido lático. Essas transformações geram alterações na massa do leite, porém, levando-se em conta o tamanho do processo, as alterações são tão pequenas que podem ser desconsideradas no balanço de massa (figura 14), como mostrado na equação 3.

Figura 14 – Balanço de massa na fermentação.

Fonte: autor.

Considerando mmlf a massa da mistura do leite com o fermento, miog a massa do iogurte, mentrada a massa de entrada no processo e msaída a massa de saída no processo, tem-se,

∑ 𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ∑ 𝑚𝑠𝑎í𝑑𝑎 (equação 1) 𝑚𝑚𝑙𝑓 = 𝑚𝑖𝑜𝑔 (equação 3)

𝑚𝑚𝑙𝑓 = 425𝑘𝑔

Com o conhecimento da massa da mistura do leite com o fermento é possível seguir para a etapa da inoculação.

5.3.BALANÇO DE MASSA DA INOCULAÇÃO

No processo de inoculação serão adicionados 15g de fermento, que para um processo envolvendo mais de 400kg de leite, pode ser desconsiderado (equação 4) também do balanço de massa (figura 15), como mostrado na equação 5:

Figura 15 – Balanço de massa da inoculação.

Fonte: autor.

Considerando mf a massa do fermento, mmlf a massa da mistura do leite com o fermento, mL2 a massa do leite padronizado, mentrada a massa de entrada no processo e msaída a massa de saída no processo, tem-se,

𝑚𝑓 ≌ 0 (equação 4)

∑ 𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ∑ 𝑚𝑠𝑎í𝑑𝑎 (equação 1) 𝑚𝑓+ 𝑚𝐿2 = 𝑚𝑚𝑙𝑓 (equação 5)

0 + 𝑚𝐿2 = 425𝑘𝑔

𝑚𝐿2 = 425𝑘𝑔

Tendo o conhecimento da quantidade de leite padronizado a entrar na etapa de inoculação pode-se partir para a última etapa do balanço de massa.

5.4.BALANÇO DE MASSA DA PADRONIZAÇÃO

Esta etapa de padronização do leite, como já citado no item 4.3 deste presente documento, é para a padronização do percentual do gordura no leite. Considerando que o leite esteja com mais gordura que o requerido nesta etapa, e considerando também a fração mássica de gordura no leite não-padronizado (xg1) sendo igual a 3,8% é possível fazer o balanço de massa (figura 16) para achar o resto das incógnitas.

Figura 16 – Balanço de massa na padronização do leite.

Fonte: autor.

Em Stephani e Perrone (2012) foram observados valores entre 40% e 50% de percentual de gordura no creme, portanto considerando 45% como o valor da fração de gordura no creme (xgc) é possível começar os cálculos:

Considerando xg2 a fração de gordura no leite padronizado, mL1 a massa do leite não-padronizado, mL2 a massa do leite padronizado, mc a massa do creme, mentrada a massa de entrada no processo e msaída a massa de saída no processo, tem-se,

Como são necessárias duas equações pois há duas incógnitas, começa-se pelo balanço de massa global representado pela equação 6,

∑ 𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ∑ 𝑚𝑠𝑎í𝑑𝑎 (equação 1) 𝑚𝐿1 = 𝑚𝑐 + 𝑚𝐿2 (equação 6)

𝑚𝐿1 = 𝑚𝑐 + 425𝑘𝑔

𝑚𝑐 = 𝑚𝐿1− 425𝑘𝑔

Agora é possível começar o balanço de massa por componente (equação 7), 𝑚𝐿1. 𝑥𝑔1 = 𝑚𝐿2. 𝑥𝑔2+ 𝑚𝑐. 𝑥𝑔𝑐 (equação 7)

𝑚𝐿1. 0,038 = 425𝑘𝑔. 0,03 + 𝑚𝑐. 0,45

Usando o valor de mc do balanço de massa global,

𝑚𝐿1. 0,038 = 425𝑘𝑔. 0,03 + (𝑚𝐿1− 425𝑘𝑔).0,45

𝑚𝐿1. 0,038 = 12,75𝑘𝑔 + 0,45𝑚𝐿1− 191,25𝑘𝑔

0,038𝑚𝐿1− 0,45𝑚𝐿1 = −178,5𝑘𝑔

−0,412𝑚𝐿1 = −178,5𝑘𝑔

Invertendo os sinais,

0,412𝑚𝐿1 = 178,5𝑘𝑔

𝑚𝐿1 =178,5𝑘𝑔 0,412 𝑚𝐿1 = 433,25𝑘𝑔

Achada a massa de leite não-padronizado (mL1), volta-se ao balanço de massa global para descobrir a massa do creme (mc),

𝑚𝑐 = 𝑚𝐿1− 425𝑘𝑔

𝑚𝑐 = 433,25𝑘𝑔 − 425𝑘𝑔

𝑚𝑐 = 8,25𝑘𝑔

Agora conhecendo esses valores tem-se as quantidades de massa da cada saída e entrada no processo (figura 17).

Figura 17 – Balanço de massa do processamento do iogurte de maracujá.

Fonte: autor.

No documento UNIVERSIDADE FADERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ALIMENTOS (páginas 26-32)