CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
LARA SALDANHA NEVES HORTA LIMA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
GUARANA POW[D]ER: PRODUÇÃO DE GUARANÁ EM PÓ A PARTIR DO PROCESSO DE SPRAY-DRYING
Orientadora: Profª. Drª. Kátia Nicolau Matsui
NATAL-RN 2019
GUARANÁ POW[D]ER: PRODUÇÃO DE GUARANÁ EM PÓ A PARTIR DO PROCESSO DE SPRAY-DRYING
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, como requisito para a obtenção do título de Engenheira de Alimentos.
BANCA EXAMINADORA
____________________________________ Profª. Drª. Kátia Nicolau Matsui
Professora Orientadora
________________________________________ Profª. Drª. Andrea Oliveira Nunes
Membro da banca
NATAL-RN 2019
Dedico este trabalho à minha amada família que desde sempre me mostrou, através do exemplo e amor, que com esforço e perseverança é possível conquistar todos os nossos sonhos.
Gostaria de agradecer primeiramente a Deus por me dar saúde e força para nunca desistir dos meus objetivos.
À minha família, por todo o amor, carinho e apoio ao longo desses anos de graduação. Meu muito obrigada especial à minha mãe, que está sempre ao meu lado, mesmo que não fisicamente, quando tenho que superar meus desafios. Ao meu pai, que me mostrou que com estudo e esforço tudo é possível. À minha irmã, que é meu exemplo de responsabilidade e bondade. E, por fim, à minha vó, que me ensinou que paciência e sensatez é a chave do sucesso.
Aos professores que me acompanharam ao longo da minha jornada no curso de Engenharia de Alimentos. Quero agradecer especialmente à professora Kátia Matsui que além de ter me orientado nesse trabalho de forma muito paciente, foi minha verdadeira mentora ao longo desses anos de curso e será sempre meu exemplo de uma profissional ética e justa. Agradeço também à professora Andrea Oliveira por ter aceitado participar da minha banca e por, em pouco tempo de convivência, me ensinar a importância do foco e da determinação.
Aos meus amigos e colegas de turma, que de alguma forma, fizeram desse curso e desse trabalho de conclusão de curso uma experiência mais agradável, especialmente às minhas amigas Flávia Leite e Thaís Corrêa. Além disso, gostaria de agradecer particularmente ao meu amigo Fábio Macedo que, com toda a sua experiência de laboratório, se dispôs a me ajudar com algumas análises essenciais para o sucesso dos meus cálculos e que me motivou em muitos momentos de incerteza ao decorrer desse trabalho.
O guaraná é um produto altamente consumido no Brasil e sua produção está concentrada nas regiões Norte e Nordeste do país. Uma das maneiras de consumo da fruta é na sua forma concentrada, em pó. Os guaranás em pó vendidos atualmente possuem duas características que não são agradáveis no momento do seu consumo, são elas: a presença de partículas não solúveis e o seu condicionamento de forma não porcionada. Diante disso, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um produto que solucione as duas problemáticas citadas e ainda atenda às novas expectativas dos consumidores modernos relacionadas à sustentabilidade, saúde e praticidade. Neste trabalho é apresentado o processo de produção do guaraná em pó a partir do processo de secagem em spray dryer. O trabalho inclui revisão bibliográfica sobre o assunto, fluxograma do processo, descrição das etapas de fabricação, layout da indústria, balanços de massa e energia, análise econômica do produto e por fim, gestão dos resíduos gerados na produção. A partir da análise econômica foi possível definir o preço do produto unitário, R$ 11,20 reais e o preço de venda sugerido do produto foi definido em R$ 16,97 reais. O Guaraná Pow[d]er é um produto que pode atrair um maior número de consumidores no seu país de origem, conquistar mercados internacionais e, se consumido dentro dos limites indicados pela legislação, gerar vários benefícios para a saúde.
Guarana is a highly consumed product in Brazil and its production is concentrated in the North and Northeast regions of the country. One way of consuming the fruit concentrated, is as a powder. The guarana powder currently sold has two characteristics that are not pleasant at the time of consumption, they are: the presence of soluble particles and their conditioning in a non-portioned way. Therefore, the objective of this work is the development of a product that solves those two problems mentioned and still meets the new expectations of modern consumers related to sustainability, health and practicality. In this work the process of production of guarana powder from the drying process in spray dryer is presented. The work includes bibliographic review on the subject, process flow diagram, description of manufacturing steps, industry layout, mass and energy balances, economic analysis of the product and, finally, management of waste generated in production. From the economic analysis it was possible to define the price of the unit product as R$ 11.20 and the suggested selling price of the product was defined as R$ 16.97. Guarana Pow[d]er is a product that can attract a greater number of consumers in its country of origin, conquer international markets and, if consumed within the limits indicated by the legislation, generate several health benefits.
Le guarana est un produit fortement consommé au Brésil et sa production est concentrée dans les régions nord et nord-est du pays. Une façon de consommer le fruit est sa forme concentrée, en poudre. La poudre de guarana actuellement vendue présente deux caractéristiques qui ne sont pas agréables au moment de la consommation, elles sont: la présence de particules non solubles et leur conditionnement de manière non fractionnée. Ainsi, l'objectif de ce travail est de développer un produit qui permettre de régler les deux problèmes cités tout en répondant aux nouvelles attentes des consommateurs modernes en matière de durabilité, de santé et de fonctionnalité. Ce travail présente, le processus de production de poudre de guarana issue du processus de séchage dans un séchoir par pulvérisation est présenté. Le travail comprend une revue bibliographique sur le sujet, un organigramme, une description des étapes de fabrication, la structure de l'industrie, les bilans de masse et d'énergie, l'analyse économique du produit et, enfin, la gestion des déchets générés en production. L'analyse économique a permis de définir le prix du produit unitaire comme 11,20 R$, et le prix de vente suggéré du produit comme 16,97 R$. Le Guarana Pow[d]er est un produit capable d’attirer un plus grand nombre de consommateurs dans son pays d’origine, de conquérir les marchés internationaux et, s’il est consommé dans les limites indiquées par la législation, d’avoir plusieurs avantages pour la santé.
Figura 1: Guaraná in natura ... 16
Figura 2: Principais constituintes químicos em amostras de guaraná (coluna um: nome da substância; coluna dois: estrutura química) ... 18
Figura 3: Efeitos na saúde atribuídos ao guaraná ... 20
Figura 4: Partículas não dissolvidas na solução guaraná-água ... 22
Figura 5: Diagrama de funcionamento do spray-dryer ... 22
Figura 6: Atomização do líquido em secador spray dryer ... 23
Figura 7: Embalagem primária do produto... 26
Figura 8: Situação real de um guaraná comercial transportado após ter sido aberto ... 27
Figura 9: Representação da embalagem secundária do produto... 27
Figura 10: Metodologia de obtenção dos compósitos de bagaço-papel Kraft ... 28
Figura 11: Fluxograma de produção do guaraná em pó ... 30
Figura 12: Guaraná em rama pronto para a comercialização ... 31
Figura 13: Balança de recebimento de mercadoria Ramuza DP ... 32
Figura 14: Calha vibratória vista de vários ângulos ... 33
Figura 15: Moinho Vieira MCS 350 (10cv) ... 33
Figura 16 : Tanques de mistura de aço inox ... 34
Figura 17: Centrífuga de cesto ... 35
Figura 18: Saco de maltodextrina própria para uso na Indústria de Alimentos ... 35
Figura 19: Secador Spray-Dryer RGYP03-50 ... 36
Figura 20: Compressor oil free Bebicon 3.7OP-9.5G5A ... 36
Figura 21: Empacotadora de grão e pó 5-40m ... 37
Figura 22: Datador automático elétrico ... 38
Figura 23: Montadora de caixas ... 39
Figura 24: Fechadora de caixas com tração superior e lateral ... 39
Figura 25: Esquema resumido do processo de embalagem ... 40
Figura 26: Representação do método FIFO ... 41
... 45
Figura 30: Reprodução laboratorial de certas etapas da produção de guaraná em pó ... 46
Figura 31: Esquema global para o balanço de massa na etapa de descascamento ... 48
Figura 32: Esquema global para o balanço de massa nas etapas extração e centrifugação ... 50
Figura 33: Esquema global para o balanço de massa na etapa de formulação ... 53
Figura 34: Esquema global para o balanço de massa na etapa de secagem ... 56
Figura 35: Carta psicrométrica para determinação de WAA e WAS ... 58
Figura 36: Balanço de massa do processo com os valores das vazões e frações mássicas ... 59
Figura 37: Esquema global das correntes do spray dryer para o balanço de energia ... 60
Figura 38: Potências encontradas no balanço de energia na etapa de secagem para a produção de guaraná em pó ... 64
Figura 39: Produto similar de guaraná em pó no mercado ... 71
Tabela 1: Produção de guaraná no Brasil ... 17
Tabela 2: Composição química da semente do guaraná proveniente da região de Maués ... 18
Tabela 3: Diferenças entre secagem e evaporação ... 21
Tabela 4: Influência de certas variáveis na secagem por spray-dryer ... 24
Tabela 5: Funções das Embalagens ... 25
Tabela 6: Composição centesimal das frações da casca do guaraná ... 28
Tabela 7: Determinação das frações mássica, obtidas experimentalmente, dos componentes das matérias-primas: guaraná moído; extrato do guaraná centrifugado e maltodextrina comercial em pó ... 47
Tabela 8: Valores dos calores específicos calculados para a água e sólidos a partir das equações de Choi e Okos (1986)... 62
Tabela 9: Investimentos iniciais na empresa ... 65
Tabela 10: Investimentos iniciais e futuros ... 66
Tabela 11: Custo mensal de energia ... 67
Tabela 12: Custos referentes às matérias-primas: guaraná em rama e maltodextrina comercial .. 68
Tabela 13: Custos indiretos ... 69
Tabela 14: Despesas incorridas ... 69
Tabela 15: Soma de custos e despesas mensais para a produção de 3000 embalagens por hora e o valor do custo unitário de produção ... 70
1. INTRODUÇÃO ... 14
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 15
2.1. ESCOLHA DO PRODUTO ... 15
2.2. GUARANÁ... 16
2.2.1. CAFEÍNA E OUTROS COMPONENTES QUÍMICOS DO GUARANÁ ... 19
2.3. PROCESSO DE SECAGEM – SPRAY-DRYER... 20
2.4. EMBALAGENS ... 24
3. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO PRODUTO ... 30
3.1. FLUXOGRAMA DO PROCESSO ... 30 3.2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO ... 31 3.2.1. RECEBIMENTO DA MATÉRIA-PRIMA ... 31 3.2.2. SELEÇÃO E PESAGEM ... 31 3.2.3. DESCASCAMENTO ... 32 3.2.4. MOAGEM E PENEIRAMENTO ... 33 3.2.5. EXTRAÇÃO ... 34 3.2.6. CENTRIFUGAÇÃO ... 34
3.2.7. ADIÇÃO DE MALTODEXTRINA OU FORMULAÇÃO ... 35
3.2.8. SECAGEM EM SPRAY-DRYER ... 36
3.2.9. EMBALAGEM ... 37
3.2.10. ESTOCAGEM ... 41
3.2.11. COMERCIALIZAÇÃO... 41
3.3. LAYOUT SIMPLICADO ... 43
4.1.2. BALANÇO DE MASSA NO PROCESSO DE EXTRAÇÃO ... 50
4.1.3. BALANÇO DE MASSA NA FORMULAÇÃO ... 53
4.1.4. BALANÇO DE MASSA NA ETAPA DE SECAGEM ... 55
4.2. BALANÇO DE ENERGIA ... 60 5. ANÁLISE ECONÔMICA ... 64 5.1. INVESTIMENTOS... 65 5.1.1. INVESTIMENTOS INICIAIS ... 65 5.1.2. INVESTIMENTO FUTURO ... 66 5.2. CUSTOS DIRETOS ... 66 5.2.1. CONSUMO ENERGÉTICO ... 67 5.2.2. CONSUMO DE MATÉRIA-PRIMA ... 68 5.3. CUSTOS INDIRETOS ... 68 5.4. DESPESAS INCORRIDAS... 69
5.5. CUSTO DO PRODUTO UNITÁRIO ... 70
5.6. PREÇO SUGERIDO DE VENDA ... 70
5.7. COMPARAÇÃO COM PRODUTO SIMILAR NO MERCADO ... 70
6. RESÍDUOS DO PROCESSO ... 71
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 73
1. INTRODUÇÃO
A área de desenvolvimento de produtos é um setor que está em constante evolução nas indústrias alimentícias. As necessidades e exigências dos consumidores vêm mudando e os setores de desenvolvimento têm que se adequar a essas evoluções. O produto desenvolvido nesse projeto é um exemplo de produto que se adapta às novas exigências do mercado.
O guaraná em pó desenvolvido leva o nome de Guaraná Pow[d]er. A primeira palavra do nome faz alusão à matéria-prima que será usada para desenvolver o produto e a segunda, vem de duas palavras em inglês, a primeira palavra: power que significa energia e remete aos componentes químicos do guaraná que apresentam efeitos relacionados à redução da fadiga. E a segunda palavra, powder que significa pó e remete ao fato de que o produto gerado está na forma de pó.
O guaraná Paullinia cupuna H.B.K var. sorbilis (Mart.) Ducke é uma fruta tipicamente brasileira que apresenta compostos e propriedades químicas interessantes que justificam a sua escolha como matéria-prima do Guaraná Pow[d]er. Já foram feitas pesquisas em humanos que mostram efeitos anticancerígenos, anti-inflamatórios, anti-obesogênicos, antitumoral e neuroprotetores gerados pelo consumo de guaraná.
Além dessas propriedades, o novo produto faz uso de uma tecnologia de secagem atual e aplicável. A secagem é um processo importante para o setor alimentício, uma vez que permite o aumento da vida útil e a diversificação de alimentos. O guaraná em pó desenvolvido faz uso do método de secagem por atomização. Esse tipo de secagem, também conhecido como spray-drying, é simples, rápido e possui uma eficácia relacionada ao aumento da área de contato entre o material que está sendo seco e o ar quente.
Diante disso, o presente Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) tem como objetivo apresentar o processo de produção de guaraná em pó através do processo de secagem por atomização. Para tanto, são apresentadas referências teóricas sobre o guaraná, suas informações mercadológicas, seus componentes químicos e a forma de produção do produto desenvolvido, incluindo o fluxograma do processo, a descrição de cada etapa de produção e a realização de balanços de massa e de energia de certas etapas desse processo. Ainda no final do trabalho realiza-se uma análise
econômica para se verificar a viabilidade de produção do novo produto e uma reflexão sobre a destinação dos resíduos gerados no processo.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. ESCOLHA DO PRODUTO
O desenvolvimento de novos produtos é uma área que está em constante crescimento nas indústrias de diversos setores, incluindo as indústrias alimentícias. A população mundial está crescendo e as necessidades de consumo estão mudando. Considerando este cenário, o desenvolvimento de novos produtos serve como ferramenta competitiva para as empresas/marcas fortalecerem sua posição no mercado (LINNEMAN et al.,2006).
Uma das necessidades de consumo que vem crescendo no mercado dos alimentos está relacionada com o aumento de pessoas obesas e com sobrepeso. Segundo a Organização Mundial da Saúde (OMS), em 2016, 40% das mulheres e 39% dos homens adultos (acima de 18 anos) estavam com sobrepeso.
Além das exigências relacionadas à saúde da população, existem novas necessidades que vêem surgindo e que dizem respeito à sustentabilidade dos sistemas produtivos. De forma geral, a população está mais consciente dos danos que as indústrias causam no meio ambiente (emissão de gases, uso excessivo de plásticos, entre outros).
As pessoas compram novos produtos por uma soma de razões, essas podem ser intrínsecas (gosto, textura, vida de prateleira, valor nutricional) ou extrínsecas/circunstanciais (produção orgânica, bem-estar animal, praticidade, comércio justo). A necessidade relacionada à consciência ambiental dos consumidores, citada no parágrafo acima, entra na categoria de razões circunstanciais (TRIJP et al.,2014).
A soma de fatores intrínsecos e extrínsecos e alguns outros temas que serão desenvolvidos ao longo deste trabalho justificam a escolha do produto que será desenvolvido.
O produto escolhido, cujo nome é Guaraná Pow[d]er, consiste em guaraná em pó produzido a partir do processo de spray drying. O produto contará com embalagens primária e secundária. A embalagem primária constitui-se de sachês com porções individuais do produto.
Existem categorias que descrevem os novos produtos alimentícios que entram no mercado. O produto aqui desenvolvido entra na categoria: produtos existentes com novas embalagens. Esta categoria diz respeito aos produtos que já foram aceitos no mercado, mas com uma nova forma de embalagem (LINNEMAN et al.,2006).
Por fim, no desenvolvimento de novos produtos a escolha de um grupo alvo de consumidores, não muito específica, mas também não muito restrita, é essencial para facilitar o desenvolvimento do produto já que esse grupo direcionará a criatividade do processo. Considerando a descrição sucinta do produto e os fatores que justificaram a escolha dele, já é possível verificar qual o público alvo do Guaraná Pow[d]er. O grupo-alvo aqui são consumidores conscientes com a sua saúde e com o meio ambiente, também conhecidos como consumidores LOHAS (Lifestyles of Health and Sustainability).
2.2. GUARANÁ
Guaraná, cujo nome científico é Paullinia cupuna H.B.K var. sorbilis (Mart.) Ducke, é uma fruta tipicamente brasileira (Figura 1). Ela é composta por uma casca vermelha que envolve uma semente preta e essa está parcialmente envolvida por um arilo branco (SANTANA et al.,2018).
Figura 1: Guaraná in natura
Fonte: EMBRAPA, 2014
A Figura 1 permite visualizar o contraste existente entre as cores da casca (vermelho/ alaranjado) e a cor da semente (preta). Esse contraste somado ao fato de a casca da fruta ser semiaberta faz com que o guaraná se assemelhe aos olhos humanos. Essa semelhança entre a fruta
e o órgão deu origem ao mito do surgimento do guaraná na comunidade indígena Sataré-maué (BECK, 2005).
O Brasil é o único produtor comercial de guaraná no mundo. Em 2017, a Bahia, com uma produção de 2340 toneladas, ocupava o primeiro lugar no ranking de produção brasileira de guaraná e o Amazonas (244 toneladas) a segunda posição. Além dos estados mencionados os seguintes estados também são produtores de guaraná: Acre, Rondônia, Pará e Mato-Grosso. Os dados referentes à produção desses estados estão apresentados na Tabela 1 (SEBRAE, 2016; CONAB, 2017).
Tabela 1: Produção de guaraná no Brasil Região/UF Produção (em mil t)
Norte 767 AC 2 RO 7 AM 744 PA 14 Nordeste 2340 BA 2340 Centro-Oeste 181 MT 181 Brasil 3288 Fonte: CONAB, 2017
Apesar de o guaraná ser uma fruta típica da Amazônia Brasileira ela vem atraindo mercados internacionais por conta das suas características e composição química. Existem alguns métodos que podem vir a ser usados para a determinação dos constituintes do guaraná. A Farmacopédia Brasileira (2003), por exemplo, sugere a realização do ensaio espectrofotométrico para a determinação de metilxantinas e taninos totais (SOUSA et al., 2010).
Os principais constituintes do guaraná são: cafeína (2,41%-5,07%), teofilina (0,06%), teobromina (0,03%), taninos totais (5,0%-14,1%), proteínas (7,0%-8,0%), polissacarídeos (30%-47%), açúcares (6,0%-8,0%), fibras (3,0%), ácidos graxos (0,16%), cinzas totais (1,06%-2,88%), umidade (4,3%-10,5%) (MARQUES et al., 2019). A Figura 2 ilustra as estruturas químicas de alguns desses constituintes.
Figura 2: Principais constituintes químicos em amostras de guaraná (coluna um: nome da substância; coluna dois: estrutura química)
Fonte: MARQUES et.al., 2019
Na produção do guaraná em pó, a matéria-prima primordial será a sua a semente. E espera-se que muitos dos componentes preespera-sentes na fruta estejam preespera-sentes na espera-semente. A Tabela 2 apresenta a relação de componentes químicos presentes na semente de guaraná produzido na região de Maué, Amazônia.
Tabela 2: Composição química da semente do guaraná proveniente da região de Maués
Fonte: SCHIMPL et al., 2013
As substâncias apresentadas justificam o fato de o guaraná e seus produtos derivados serem globalmente conhecidos pelos seus efeitos estimulantes. A cafeína é um componente que pode muito bem explicar a propriedade estimulante dessa fruta.
Substância Composição (g/100 g)
Amido 60,88
Tanino 9,6
Proteína 8,56
Totais de açúcares solúveis 7,97
Açúcares redutores 4,89 Cafeína 3,79 Fibra 3,15 Pentosano 0,21 Cinzas 1,46 Umidade 10.46
2.2.1. CAFEÍNA E OUTROS COMPONENTES QUÍMICOS DO GUARANÁ
Cafeína é um alcaloide, sua estrutura química contém um esqueleto de purina, este está representado na Figura 2. Esse alcaloide, que possui atividade biológica, é um dos mais ingeridos no mundo. Além de estar presente no guaraná, como foi possível observar nas composições químicas apresentadas, a cafeína pode ser achada em outros produtos vegetais, tais como: sementes de café, cacau, erva-mate, folhas de chá verde (DE MARIA et al., 2007).
Os efeitos da cafeína no comportamento humano podem ser extremamente benéficos ou apresentar algum efeito negativo. De acordo com estudos realizados, a cafeína seria responsável pelo aumento da capacidade de alerta e redução da fadiga e em contrapartida pode afetar negativamente a qualidade de sono de um indivíduo. O fator essencial com relação ao consumo da cafeína é não ultrapassar a quantidade indicada de consumo (DE MARIA et al., 2007).
A Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA) disponibiliza um documento com limites máximos e mínimos no consumo de substâncias bioativas (2018). Os valores indicados no documento e relacionados à cafeína foram baseados no parecer da European Food Safety Authority (EFSA). O consumo máximo recomendado para o consumo habitual da cafeína é de aproximadamente 5,7 mg de cafeína por kg de peso. Essa quantidade considera a soma de cafeína proveniente de todas as fontes alimentares e, se não ultrapassada, não causará preocupações com a segurança de adultos saudáveis.
É importante ressaltar que mulheres grávidas não devem consumir produtos ricos em cafeína e, por isso, elas não se incluem nessa quantidade máxima considerada pela ANVISA.
Assim como a cafeína, a teobromina e teofilina (ilustrados na Figura 2) também se enquadram no grupo dos alcaloides, mais especificamente, são metilxantinas. As metilxantinas estão relacionadas a diversos efeitos fisiológicos no corpo humano, sendo alguns deles: estímulo do músculo esquelético provendo diurese, efeitos positivos na fertilidade masculina, estímulo da lipólise e inibição da adipogênese, contribuindo para a perda de peso e controle da obesidade (SANTANA et al.,2018).
Outro grupo de compostos químicos presentes no guaraná merece uma atenção especial, já que esse é responsável pelas suas propriedades antioxidantes.
Os taninos, presentes tanto na semente quanto na fruta guaraná, são compostos fenólicos que por causa da sua estrutura química têm a capacidade de formar importantes complexos com várias macromoléculas e, por sua vez, apresentaram efeitos anticâncer (SANTANA et al.,2018).
A Figura 3 mostra alguns efeitos na saúde, baseados em estudos, atribuídos ao guaraná.
Figura 3: Efeitos na saúde atribuídos ao guaraná
Fonte: SANTANA,2018
2.3. PROCESSO DE SECAGEM – SPRAY-DRYER
A operação de secagem consiste na retirada da água ou qualquer outro líquido de um material. Apesar de existirem diferenças entre o processo de secagem e o processo de evaporação, as quais estão apresentadas na Tabela 3, o conceito de secagem se aplica a ambos.
Tabela 3: Diferenças entre secagem e evaporação
Evaporação Secagem
Remoção de líquido de uma solução líquida
Remoção de líquido de um material sólido
Remoção do líquido somente por vaporização
Remoção do líquido por centrifugação ou por vaporização A vaporização ocorre na
temperatura de ebulição do líquido que se quer retirar da
solução líquida
A vaporização ocorre em uma temperatura inferior à temperatura de
ebulição do líquido que se quer retirar do material sólido
Fonte: EMBRAPA, 2010
A aplicação de processos de secagem é de extrema importância nas indústrias alimentícias. As vantagens da secagem são diversas, entre elas: o aumento da vida útil do produto, o alimento desidratado é nutritivo já que o valor alimentício do alimento se concentra no processo, o transporte do alimento se torna mais fácil e econômico, a operação de secagem é econômica (sem necessidade de mão-de-obra especializada, baixo custo de armazenagem após a obtenção do produto) e há uma significativa redução nas perdas pós-colheita (CELESTINO,2010).
As secagens usualmente aplicadas nas indústrias de alimentos são denominadas secagens artificiais. Essas consistem no uso de equipamentos em que o alimento é colocado e a desidratação se dá dentro de um intervalo definido de tempo. Alguns secadores utilizados na operação de secagem são: secador de bandeja, secador de túnel, secador de esteira, secador de tambor rotativo, secador de leito fluidizado, liofilizador, secador por atomização (spray-dryer).
O secador do tipo spray-dryer foi escolhido para o desenvolvimento do guaraná em pó afim de melhorar a solubilidade do mesmo. O guaraná em pó encontrado no mercado apresenta um poder de solubilidade médio e isso acarreta em limitações no seu uso já que a permanência de pequenos fragmentos (Figura 4), que não solubilizaram completamente, na boca causa uma sensação desagradável na ingestão do produto (NAZARÉ,1997).
Figura 4:Partículas não dissolvidas na solução guaraná-água
Fonte: Autora
O processo de spray-drying vem sendo aplicado na indústria desde a década de 20 e tornou-se um dos métodos mais importantes para tornou-secar alimentos líquidos no mundo ocidental depois que foi aplicado na indústria de laticínios, mais especificamente na produção de leite em pó. Ele é muito usado para a secagem de alimentos na forma líquida e o produto resultando do processo é um pó (exemplo: leite em pó, café, ovo). A eficácia do aparelho consiste no princípio do aumento da área de contato entre o material que está sendo seco e o ar quente (dessecante). A Figura 5 esquematiza o equipamento mencionado (ROSA, TSUKADA, FREITAS; 2006; CELESTINO, 2010; MUJUMDAR, 2014).
Figura 5:Diagrama de funcionamento do spray-dryer Fonte: LABMAQ, 2003
A Figura 6 permite uma melhor visualização do bico atomizador do secador tipo spray dryer (região demarcada em vermelho na Figura 5). O processo de atomização consiste na desintegração do líquido em diversas partículas individuais, formando-se assim uma nuvem de partículas (RAMOS, 2016).
Figura 6: Atomização do líquido em secador spray dryer Fonte: EMBRAPA, 2010
Como observado na Figura 5, os spray-dryers são constituídos por uma câmara de secagem, normalmente grande e cilíndrica. Nessa câmara é injetado, além do produto que desejasse secar, um grande volume de ar quente que se encontra numa temperatura alta o suficiente para permitir a evaporação do líquido presente no material que está sendo seco. Dois fenômenos acontecem durante esse processo de secagem, são eles: a transferência de massa e a transferência de calor (PERRY, GREEN; 1997).
O processo de secagem em spray-dryer se dá da seguinte forma: ar atmosférico filtrado e aquecido é injetado no topo do secador e flui no equipamento em paralelo às gotículas formadas pelo bico atomizador. As partículas individuais, provenientes do atomizador, caem no interior da câmara de secagem, que se encontra numa temperatura elevada, e, por sua vez, permite que a água se evapore e seja transferida para o ar que está presente nesta câmara. Partículas de maior diâmetro caem no fundo da câmara e as de maior diâmetro são arrastadas até os ciclones acoplados ao secador. O sistema de secagem pode variar dependendo do tipo de produto que desejasse produzir (RAMOS, 2016).
Alguns parâmetros de operação que influenciam o produto seco gerado pelo processo de spray-drying devem ser conhecidos quando se trabalha com esse equipamento. A Tabela 4 apresenta os principais parâmetros e sua influência no produto gerado (ENGEL et al., 2017).
Tabela 4: Influência de certas variáveis na secagem por spray-dryer
Variável Influência
Concentração do fluido
Quanto maior a concentração, menor o calor requerido pelo spray dryer e as partículas
formadas são grandes
Vazão de alimentação Vazões altas produzem partículas grandes Densidade Seu efeito varia inversamente ao tamanho
da partícula
Viscosidade O tamanho da gota varia diretamente com a viscosidade da alimentação
Temperatura do fluido
O aumento da temperatura de entrada diminui o consumo de calor requerido pelo
secador Vazão do ar de secagem
Vazões altas exigem baixo tempo na câmara de secagem e consequentemente a umidade
residual é alta Temperatura do ar de
secagem
O aumento da temperatura provoca a diminuição da densidade do produto Fonte: MASTERS,1985
2.4. EMBALAGENS
As embalagens são fundamentais nas indústrias alimentícias e podem apresentar diversas funções. As funções das embalagens, detalhadas na Tabela 5, permitiram a escolha das embalagens do produto em estudo.
Tabela 5: Funções das Embalagens
Setor de interesse Atribuição da Embalagem Aprofundamentos
Produto
Proteção
Proteção contra fatores do meio: serve como barreira mecânica, protege da luz, protege de insetos
Estabilização
Manutenção da qualidade do produto: previne perda de aroma,
reduz a contaminação, reduz a oxidação
Logística Distribuição Facilita o transporte dos
alimentos
Consumidor
Informação
Informações obrigatórias e/ou úteis para o consumidor (nome do produto, data de validade, lista
de ingredientes)
Conveniência Dosagem do produto, preparação do produto, espaço do produto Imagem
Informações relacionadas a divulgação da marca do produto
Meio Ambiente
Embalagens Biodegradáveis, certificados que comprovem uma
produção sustentável
Fonte: Autora
O Guaraná Pow[d]er conta com dois tipos de embalagens, sendo uma delas biodegradável, e a segunda feita com material reciclável. O motivo da escolha por esse tipo de embalagem se dá pelo fato de essas embalagens serem mais sustentáveis que as embalagens tradicionais, comumente de plástico.
A embalagem primária do produto consistirá em um sachê individual (contendo aproximadamente 3 gramas de produto). O material dessa embalagem consistirá num filme alimentar solúvel em água. Esse filme é transparente e não apresenta sabor ou odor. A representação desse sachê está apresentada na Figura 7.
Figura 7: Embalagem primária do produto Fonte: MONOSOL
O uso da embalagem representada permite que o produto seja, além de ambientalmente correto, prático de usar e seguro para o consumo.
A explicação para essa embalagem ser considerada segura para o consumo vem do fato que foi abordado anteriormente, o guaraná em pó possui um percentual considerável de cafeína e, portanto, a ingestão do mesmo tem que estar dentro do limite máximo recomendado pelos órgãos reguladores. Considerando que se deseja produzir um pó com, aproximadamente, 2,18% de cafeína, isso implicará num valor aproximado de 65,4 mg de cafeína por sachê de produto. A concentração de cafeína no produto está bem abaixo do valor máximo (5,7 mg de cafeína por kg de peso).
O fator praticidade da embalagem permite resolver uma situação problema apresentada pelos pós de guaraná comerciais encontrados no mercado. Os pós de guaraná comerciais são vendidos em uma embalagem primária plástica com 100g de produto. Na Figura 8 é possível visualizar uma situação real do que pode acontecer com esse produto, uma vez aberto, ao ser transportado.
Figura 8: Situação real de um guaraná comercial transportado após ter sido aberto
Fonte: Autora
Para proteger a embalagem primária de fatores como umidade e poeira e devido à necessidade de inserir informações obrigatórias e/ou úteis para o consumidor (nome do produto, tabela nutricional, informações de uso, entre outros), uma embalagem secundária será usada.
A embalagem secundária se assemelhará aquelas apresentadas na Figura 9. O objetivo da embalagem secundária é que esta seja produzida, majoritariamente, com papel Kraft já que o Brasil é um grande produtor deste material e levando em conta a possibilidade de reciclagem desse tipo de material. No ano de 2010, por exemplo, a taxa de recuperação de ondulados e Kraft foi a maior entre todos os tipos de papel (71,1%) (LANDIM et al., 2015).
Figura 9: Representação da embalagem secundária do produto
Fonte: EUROGRIP
O objetivo final da empresa, uma vez que existam recursos para a pesquisa e produção, com relação a embalagem secundária do produto é que a mesma seja produzida com um dos resíduos
gerados na produção do guaraná em pó, que é a casca da fruta. A Tabela 6 permite visualizar a composição em porcentagem de base seca (para umidade; a composição está apresentada em porcentagem de base úmida) da casca do guaraná.
Tabela 6: Composição centesimal das frações da casca do guaraná
Propriedades da casca Composição em % de base seca
(*umidade em % de base úmida)
Umidade 85,8 ± 0,3 (base úmida)*
Proteína 10,5 ± 0,2 Lipídios 9,7 ± 0,4 Carboidratos 5,9 ± 2,1 Fibras totais 70,3 ± 1,6 Cinzas 3,5 ± 0,2 Fonte: ANTUNES, 2011
Baseando-se no trabalho sobre o desenvolvimento de materiais biodegradáveis a partir do bagaço de mandioca de Matsui (2002), sugere-se que a embalagem biodegradável secundária a ser estudada pela empresa seja desenvolvida a partir do bagaço da mandioca, cuja concentração de amido é alta, e com os rejeitos da casca do guaraná, cuja concentração de fibras é elevada (70% em base seca). Sendo assim, a metodologia de obtenção pensada seguiria aquela apresentada no trabalho mencionado (Figura 10), porém com a substituição total ou parcial do papel kraft (indicado em vermelho na Figura 10) pela casca do guaraná.
Figura 10: Metodologia de obtenção dos compósitos de bagaço-papel Kraft
A empresa pretende reservar uma parte do seu capital, valor a ser considerado na análise econômica do produto, para investir em pesquisas e estudos que possibilitem criar, futuramente, uma embalagem totalmente biodegradável feita a partir das fibras do guaraná.
3. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO PRODUTO
3.1. FLUXOGRAMA DO PROCESSO
Na Figura 11 está representado o fluxograma do processo de produção do guaraná em pó a partir do processo de secagem tipo spray-drying.
Figura 11: Fluxograma de produção do guaraná em pó
3.2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO
A seguir, as etapas mostradas no fluxograma serão descritas de forma detalhadas.
3.2.1. RECEBIMENTO DA MATÉRIA-PRIMA
A primeira etapa do processo consiste no recebimento da matéria-prima. Para a produção do guaraná em pó, as sementes são adquiridas na sua forma habitual de comercialização, que é o guaraná em rama (Figura 12). O guaraná em rama consiste nas sementes inteiras, secadas ao sol, torradas ou não e embaladas em sacos de aniagem com peso bruto de 50 kg (NAZARÉ,1997).
Figura 12: Guaraná em rama pronto para a comercialização
Fonte: FRAIFE FILHO; RAMOS,2019
3.2.2. SELEÇÃO E PESAGEM
A matéria-prima chega na fábrica através de caminhões. Um responsável capacitado do setor de qualidade é encarregado de realizar uma análise visual do produto e o classifica como apto ou não a ser descarregado. Além da análise visual, o responsável coleta amostras para realizar testes laboratoriais.
Uma vez que os sacos de aniagem tenham sido descarregados, esses são inicialmente pesados para verificar se as quantidades de matéria-prima enviadas pelo fornecedor correspondem com a compra realizada. Essa pesagem inicial será realizada numa balança industrial digital com capacidade de 150 kg (Figura 13).
Figura 13: Balança de recebimento de mercadoria Ramuza DP Fonte: CANAL AUTOMAÇÃO COMERCIAL
Uma vez pesadas, as sementes são inseridas em uma calha vibratória. Nesta etapa, quatro funcionários qualificados ficam responsáveis por verificar se as matérias-primas estão de acordo com o exigido pelo departamento de qualidade (por exemplo: presença de folhas, sementes com injúrias). Para essa segunda etapa de seleção, são destinados quatro funcionários pois, se tratando de um trabalho que exige concentração e certa fadiga, eles alternam a tarefa de seleção a cada meia hora de trabalho.
3.2.3. DESCASCAMENTO
O guaraná em rama que chega à indústria possui apenas resquícios da casca da fruta já que grande parte foi retirada pelos guaranazeiros no processo de pós-colheita do guaraná. O processo de descascamento acontece de forma simultânea com o processo explicado anteriormente. O equipamento usado para transporte do guaraná em rama, a calha vibratória (Figura 14), permite o descascamento do guaraná (se esse ainda precisar ser descascado) por conta da vibração do mesmo.
Figura 14: Calha vibratória vista de vários ângulos Fonte: INCALFER
3.2.4. MOAGEM E PENEIRAMENTO
A próxima etapa do processo de produção consiste na moagem e peneiramento da semente. A moagem do processo é realizada com o auxílio de um moinho centrífugo simples (Figura 15), específico para esse tipo de produto, com uma peneira de 0,3 milímetros.
Figura 15: Moinho Vieira MCS 350 (10cv)
3.2.5. EXTRAÇÃO
As sementes trituradas agora passam pelo processo de extração. O solvente usado nesse processo é a água e a proporção de soluto/solvente é de 1:5, respectivamente. O processo de extração tem duração de quatro horas. Essa etapa faz parte da preparação do produto para a futura secagem que é realizada. Tanques de mistura de aço inoxidável são usados para este fim (Figura 16).
Figura 16 : Tanques de mistura de aço inox
Fonte: TOPP CONSULTORIA
3.2.6. CENTRIFUGAÇÃO
Após a obtenção do extrato, esse segue para o processo de centrifugação para separar as partículas não solúveis no processo de extração. A centrifugação do extrato é realizada numa centrífuga de cesto (Figura 17).
Figura 17: Centrífuga de cesto
Fonte: ATLANTICA SEPARADORES
3.2.7. ADIÇÃO DE MALTODEXTRINA OU FORMULAÇÃO
A etapa de adição de maltodextrina, que precede a secagem em spray-dryer, é fundamental para aumentar o rendimento final desse processo de secagem. Além do aumento do rendimento final, a adição desse carboidrato complexo, ilustrado na Figura 18, visa proteger os constituintes químicos que estão presentes no extrato e também visa a obtenção de um pó que não esteja superconcentrado nessas substâncias químicas. Para atingir uma quantidade ideal de cafeína no produto final, são adicionados 30% de maltodextrina (m:v) (EMBRAPA, 1997). A mistura da maltodextrina adicionada é realizada com o auxílio de um tanque de mistura.
Figura 18: Saco de maltodextrina própria para uso na Indústria de Alimentos
3.2.8. SECAGEM EM SPRAY-DRYER
O processo de secagem é realizado num secador spray-dryer específico para alimentos. O equipamento possui uma potência aproximada de 45 kWh e um consumo de gás liquefeito de petróleo (GLP) máximo de 90 kg por hora. A temperatura da câmara é de 190˚C, a temperatura do ar de secagem é de 170˚C, a temperatura do produto gerado é de 112˚C e a temperatura de entrada do extrato se aproxima da temperatura ambiente, 26˚C. A Figura 19 ilustra um equipamento industrial de secagem do tipo spray-dryer.
Figura 19: Secador Spray-Dryer RGYP03-50
Fonte:MADE-IN-CHINA.COM
Associado ao equipamento de secagem, é acoplado um compressor do tipo oil free Bebicon (Figura 20) que serve para comprimir e armazenar o ar que será injetado no secador, de forma que ele tenha uma pressão aumentada. O aumento da pressão do ar normalmente acarreta em um aumento na sua temperatura.
Figura 20: Compressor oil free Bebicon 3.7OP-9.5G5A
3.2.9. EMBALAGEM
Após a secagem do produto, este está pronto para ser embalado e posteriormente comercializado. Como já foi mencionado na revisão bibliográfica deste trabalho, o produto apresenta dois tipos de embalagens (primária e secundária).
A embalagem primária está sujeita a um equipamento cujos processos de embalagem, dosagem e vedação de corte são feitos simultaneamente. A empacotadora de grãos e pó está ilustrada na Figura 21.
Figura 21: Empacotadora de grão e pó 5-40mL
Fonte: CETRO
Uma vez que o produto está embalado nos sachês individuais é o momento de partir para a segunda etapa de embalagem. Os sachês individuais provenientes da empacotadora (Figura 21) passam por uma esteira transportadora. Ao lado da esteira há uma mesa de apoio onde os funcionários responsáveis pelo processo de embalagem secundária ficaram posicionados para colocar os sachês dentro da embalagem de papel Kraft (Figura 9). São 30 sachês individuais por embalagem secundária.
A embalagem de papel Kraft personalizada pelo fornecedor apresenta as informações exigidas pela ANVISA (RDC Nº259), ou seja, denominação de venda do alimento, conteúdos
líquidos, indicação da origem, nome ou razão social, identificação do lote, prazo de validade e instruções sobre preparo e uso.
Existe outra regulação da ANVISA (RDC Nº272), que é específica para o guaraná, e essa exige que seja colocada na embalagem a quantidade de cafeína na porção indicada pelo fabricante e a seguinte frase “Crianças, gestantes, nutrizes, idosos e portadores de enfermidades devem consultar o médico ou nutricionista antes de consumir o produto”. Ambas as informações também constam na embalagem personalizada pelo fornecedor.
O produto finalizado (sachês dentro da embalagem de papel Kraft) é recolocado na esteira pelos funcionários e segue para o processo de datação. O datador está ilustrado na Figura 22.
Figura 22: Datador automático elétrico Fonte: CETRO
Para o produto desenvolvido, o prazo de validade é de 1 ano. Este prazo foi determinado considerando os prazos de validade dos guaranás em pó comerciais encontrados no mercado (média de 2 anos de validade) somado ao fato de que agora tem-se uma embalagem biodegradável, suscetível a degradação, como embalagem primária.
Após a datação, o produto segue na esteira para ser encaixotado. Esta etapa é parcialmente manual. A parte de montagem e fechamento das caixas de papelão é automatizada (Figura 23 e
Figura 24) e a parte manual se refere ao trabalho dos operários responsáveis que ficam encarregados de colocar o produto nas caixas de papelão.
Figura 23: Montadora de caixas
Fonte: CETRO
Figura 24: Fechadora de caixas com tração superior e lateral Fonte: CETRO
A Figura 25 apresenta um esquema que permite visualizar de forma mais clara a união desses processos citados acima e, consequentemente, um resumo da etapa de embalagem.
Figura 25: Esquema resumido do processo de embalagem
3.2.10. ESTOCAGEM
O produto é estocado em uma sala com controle de temperatura e umidade para que não haja degradação do mesmo. O controle da umidade da sala se dá principalmente pelo fato de que a embalagem primária biodegradável e hidrofílica, pode permitir a permeabilidade do vapor d’água do ambiente para o produto e também se degradar mais facilmente em ambientes mais úmidos.
Além desses dois parâmetros, o método FIFO (first-in-first-out) também é aplicado na etapa de estocagem. Este método tem relação com a forma de organização do estoque. Os produtos com data de fabricação e, consequentemente, prazo de validade mais próximos são colocados na extremidade mais próxima da prateleira e os com prazo de validade mais distantes nas extremidades mais distantes da prateleira (Figura 26).
Figura 26 : Representação do método FIFO
Fonte: WEBAUGSBURG
3.2.11. COMERCIALIZAÇÃO
O objetivo inicial quanto a comercialização do produto é que este seja, pelos primeiros cinco anos de produção, comercializado somente no seu país de origem. Ao decorrer desses cinco anos de produção a estratégia da empresa será trabalhar para conseguir obter certificações internacionais (IFS, BRC, ISO 9001) e, por sua vez, conseguir comercializar o seu produto em outros países cuja legislação é mais restrita e normalmente requer essas certificações.
A ideia é que antes de atingir seu décimo ano de produção a empresa esteja exportando o seu produto para continentes como América do Norte e Europa (Figura 27). Segundo a Organização Internacional do Café (OIC), são grandes consumidores de cafeína.
Figura 27: Estratégias de comercialização do produto
Fonte: Autora
As estratégias de comercialização do produto estão diretamente relacionadas com a localização da indústria. Ela estará instalada na Bahia já esse estado possui um dos maiores portos do país e uma produção elevada do guaraná.
3.3. LAYOUT SIMPLICADO
Considerando as exigências do regulamento técnico sobre as condições higiênico-sanitárias e de boas práticas de fabricação para estabelecimentos produtores/industrializadores de alimentos da portaria número 326 (BRASIL, 1997) e exigências de referenciais internacionais almejados pela empresa, o seguinte layout é proposto (Figura 28).
Figura 28: Layout simplificado da indústria
Fonte: Autora
O layout simplificado mostra as etapas de produção ilustradas no fluxograma de processo (Figura 11). O fluxo de produção mostrado na Figura 28 segue a ordem crescente dos números ali representados, ou seja, a primeira etapa do processo está representada pelo número 1 e a última pelo número 8. Seguindo essa mesma ordem crescente, as etapas são:
1. Seleção e pesagem; 2. Descascamento; 3. Moagem/peneiramento; 4. Extração; 5. Centrifugação; 6. Adição de maltodextrina; 7. Secagem em spray dryer; 8. Embalagem.
A
A etapa de embalagem, ilustrada no layout pelo número 8, está representada de forma mais detalhada na Figura 25.
As estruturas representadas pelas letras “A” e “B” no layout representam as portas do salão de produção. A diferença das duas é o tipo da porta. Ilustrada por “A” são portas convencionais que abrem no sentido horizontal e a ilustrada pela letra “B” são portas que servem para carga/descarga de caminhões e, por sua vez, abrem no sentido vertical. A presença dessas portas nas localidades exatas mostradas no layout permite que não haja cruzamento de material finalizado (embalagem Kraft) com os resíduos do processo (casca do guaraná e guaraná úmido).
O almoxarifado, que se encontra dentro da sala de produção, serve como área de estocagem. Os produtos ali estocados saem dessa sala através das aberturas próprias para os caminhões e seguem para a comercialização.
Além do salão de produção e almoxarifado de estocagem, a empresa também conta com uma sala de administração, que é destinada para o trabalho dos engenheiros da indústria, duas salas de reunião, um refeitório, uma cozinha, um vestiário feminino e um masculino, um espaço de paramentarão e um lavatório.
4. BALANÇO DE MASSA E ENERGIA
O processo produtivo do guaraná em pó apresenta cinco etapas cujo balanço de massa precisa ser realizado e apenas uma etapa onde cabe realizar o balanço de energia. Os balanços são realizados individualmente, por etapa do processo.
4.1. BALANÇOS DE MASSA
Os balanços de massa realizados neste trabalho seguem o princípio da conservação de massa. Esse princípio diz que a variação total de matéria de um sistema em um intervalo de tempo é igual à soma das contribuições de todas as correntes que chegam ao sistema ou deixam-no nesse intervalo. Levando em conta essa definição, a seguinte relação é válida:
Sendo:
dm/dt a variação de massa que existe no sistema (termo de acúmulo); Ʃ ṁE o somatório de todas as correntes que entram no sistema;
Ʃ ṁS o somatório de todas as correntes que saem do sistema;
Ʃ ṁgerado o somatório de todas as correntes que são geradas no sistema;
Ʃ ṁconsumido o somatório de todas as correntes que são consumidas no sistema;
Os processos aqui estudados se apresentam em regime permanente, ou seja, não há componente sendo gerado ou consumido em reações químicas no intervalo de tempo definido (massa não varia com o tempo e, portanto, dm/dt = 0), sendo assim:
O balanço de massa é realizado, seguindo o princípio enunciado acima, nas seguintes etapas: descascamento, extração, centrifugação, formulação e secagem. A Figura 29 representa o esquema global para o balanço de massa.
Figura 29: Esquema global do balanço de massa para o processamento e obtenção de pó de guaraná
Fonte: Autora
Os balanços de massa foram realizados baseando-se na quantidade de produto que desejasse produzir. Pretende-se produzir 3000 embalagens kraft por hora sendo que cada embalagem contém 30 saches individuais de guaraná em pó (3 gramas). Sendo assim, a produção final de produto, proveniente do processo de secagem, é de 270 kg de guaraná em pó por h.
Não foi realizado balanço de massa na etapa de moagem/peneiramento pois as partículas que eventualmente ficam retidas na peneira serão reintroduzidas no equipamento até que elas atinjam o tamanho desejado (0,3 mm). Então, a massa de sementes que entra nesse equipamento é a mesma massa que sai do equipamento, eventuais perdas são consideradas desprezíveis. Assim como as massas, as frações mássicas também se mantêm já que o processo é puramente mecânico. Para a obtenção de dados necessários na realização dos cálculos, certas etapas do processo de produção do guaraná foram reproduzidas em laboratório. A Figura 30 ilustra esse processo laboratorial.
Figura 30: Reprodução laboratorial de certas etapas da produção de guaraná em pó
As frações mássicas obtidas laboratorialmente, com o auxílio de uma balança de umidade, estão apresentadas na Tabela 7.
Tabela 7: Determinação das frações mássica, obtidas experimentalmente, dos componentes das matérias-primas: guaraná moído; extrato do guaraná centrifugado e maltodextrina comercial em pó
Fração mássica de sólidos
(Xs)
Fração mássica de água
(Xa) Guaraná moído (XM) 0,8737 0,1263 Produto da centrifugação (XC) 0,0594 0,9406 Maltodextrina (Xmalto) 0,9473 0,0527 Fonte: Autora
Os resíduos gerados no descascamento e na centrifugação serão reaproveitados. Esse tópico será tratado posteriormente nesse trabalho.
A seguir, os balanços de massa são realizados individualmente para cada etapa ilustrada na Figura 29.
4.1.1. BALANÇO DE MASSA NO DESCASCAMENTO
O descascamento é o primeiro processo onde há uma variação de massa que acontece por conta das cascas que são separadas das sementes e que não entram como matéria-prima do processo. O guaraná em rama é constituído majoritariamente pelas amêndoas, porém ele pode conter alguns resquícios de casca. Afim de realizar o balanço de massa, considera-se que há 2% de casca na massa de guaraná em rama recebido pela empresa.
Figura 31: Esquema global para o balanço de massa na etapa de descascamento
Fonte Autora
Tomando como base a Figura 31, o balanço de massa global para a etapa de descascamento pode ser descrito como:
Onde:
ṁG é a vazão mássica de guaraná alimentando a calha vibratória (kg/h);
ṁR1 é a vazão mássica de resíduo gerado pelas cascas (kg/h);
ṁM é a vazão mássica de sementes descascadas (kg/h);
Como há 2% de casca na massa de guaraná recebido, então:
A vazão mássica de sementes descascadas para a obtenção da quantidade de produto desejada é de 319.97 kg/h. Considerando esse dado e substituindo a equação (1.2) na equação (1.1), tem-se:
ṁG = ṁR1 + ṁM (1.1)
0,02 ṁG = ṁR1 (1.2)
ṁG = 0,02 ṁG + 319,97 (1.3)
Então,
Voltando para a equação (1.2), tem-se que:
É possível definir a fração mássica de água na semente do guaraná (Xa,M) pelo valor de
umidade que está representado na Tabela 2.
Como,
Onde:
Xa é a fração mássica de água da solução (kg de água/kg de solução);
Xs é a fração mássica de sólidos da solução (kg de sólidos/kg de solução);
Então,
O resíduo do descascamento (R1) consiste nas cascas que foram retiradas, sua umidade está representada na Tabela 6. Esse valor permite a obtenção da fração mássica de água do resíduo R1 (Xa,R1).
Levando em conta a equação 1.4, tem-se que:
ṁG = 326,5 kg/h ṁR1 = 6,53 kg/h Xa,M = 0,1046 Xa + Xs = 1 (1.4) Xs,M = 0,8954 Xa,R1 = 0,8580 Xs,R1 = 0,1420
É possível definir a fração mássica de sólidos do guaraná (Xs,G) realizando um balanço de
massa por componente. Partindo da equação (1.1) e considerando os componentes sólidos dessa etapa, tem-se:
Substituindo os valores conhecidos, obtêm-se a fração mássica de sólidos para o guaraná.
Da equação (1.4),
4.1.2. BALANÇO DE MASSA NO PROCESSO DE EXTRAÇÃO
O processo de extração consiste na união dos processos de extração e centrifugação. O esquema de correntes e composições dessa etapa está apresentado na Figura 32.
Figura 32: Esquema global para o balanço de massa nas etapas extração e centrifugação
Fonte Autora
ṁG x Xs,G = ṁR1 xXs,R1 + ṁMxXs,M (1.5)
Xs,G = 0,8803
Na Figura 32, o processo de extração está representado pelo tanque de mistura e o processo de centrifugação pela centrífuga.
O balanço global para o processo de extração pode ser descrito como:
Onde:
ṁM é a vazão mássica de guaraná moído alimentando o tanque de mistura (kg/h);
ṁH2O é a vazão mássica de água alimentando o tanque de mistura (kg/h);
ṁR2 é a vazão mássica de resíduo gerado pelo processo de centrifugação (kg/h);
ṁC é a vazão mássica de produto gerado pelo processo de centrifugação (kg/h);
A partir dos testes laboratoriais realizados, foi definido que 38,775% da massa que entra no tanque de mistura corresponde a massa que sai como resíduo da centrífuga, sendo assim:
A vazão mássica de produto proveniente da centrífuga (ṁC) para a obtenção da quantidade
de produto desejada é de 1175.41 kg/h. Considerando esse dado e substituindo a equação (2.2) na equação (2.1), tem-se:
A relação entre a vazão mássica de guaraná moído e a vazão mássica de água é conhecida uma vez que a proporção guaraná moído/água é de 1:5. Sendo assim,
Substituindo a equação (2.4) na equação (2.3) é possível obter a seguinte vazão mássica de guaraná moído: ṁM + ṁH2O = ṁR2 + ṁC (2.1) 0,38775 x (ṁM + ṁH2O) = ṁR2 (2.2) 5 x ṁM = ṁH2O (2.4) ṁM = 319,97 kg/h ṁM + ṁH2O = 0,38775 × (ṁM + ṁH2O) + 1175,41 (2.3)
Voltando para a equação (2.4), obtêm-se:
Com esses dois valores obtidos, é possível determinar a vazão mássica de resíduo gerado pelo processo de centrifugação. Pela equação (2.2), tem-se que:
Para obter o valor da vazão mássica de extrato proveniente da etapa de extração (ṁE), será
realizado um balanço apenas para essa etapa. Ele pode ser descrito como:
A partir dos dados obtidos, tem-se que:
As frações mássicas são definidas a partir do balanço global de massa por componente. Para os componentes sólidos, tem-se:
A partir da Tabela 7 e dos valores encontrados, a equação (2.6) se apresenta da seguinte forma:
Então,
Da equação (1.4):
Para encontrar as frações mássicas para o extrato (XE), é realizado o balanço de massa por
componentes sólidos para a etapa de extração. Esse balanço pode ser descrito como: ṁH2O = 1599,85 kg/h ṁR2 = 744,41 kg/h ṁE = 1919,82 kg/h ṁM × Xs,M = ṁR2 × Xs,R2 + ṁC × Xs,C (2.6) 319,97 × 0,8737 = 744,41 × Xs,R2 + 1175,41 × 0,0594 (2.7) Xs,R2 = 0,2818 Xa,R2 = 0,7182 ṁM + ṁH2O = ṁE (2.5)
Substituindo os valores, obtêm-se:
Da equação (1.4),
4.1.3. BALANÇO DE MASSA NA FORMULAÇÃO
A etapa de formulação consiste na adição de maltodextrina ao extrato proveniente do processo de extração. O esquema de correntes e composições dessa etapa está apresentado na Figura 33.
Figura 33: Esquema global para o balanço de massa na etapa de formulação
Fonte Autora
ṁM × Xs,M = ṁE × Xs,E (2.8)
Xs,E = 0,1456
O balanço de massa por componente para os sólidos para essa etapa pode ser descrito como:
Onde:
ṁMalto é a vazão mássica de maltodextrina alimentando o tanque de mistura (kg/h);
ṁF é a vazão mássica de produto gerado na etapa de formulação (kg/h);
A relação entre a vazão mássica de matodextrina e a vazão mássica de produto gerado na etapa de centrifugação é conhecida já que foi determinado que devem ser adicionado 30% de maltodextrina. Sendo assim,
A partir dessa relação e considerando os dados da Tabela 7 foi possível determinar uma equação e, consequentemente, as frações mássicas do produto gerado na etapa de formulação. A equação é a seguinte:
Onde:
Xs,C é a fração mássica de sólidos presente no produto gerado pelo processo de centrifugação (kg
de sólidos/ kg de produto);
% cé a porcentagem de extrato centrifugado que vai para a alimentação
Xs,Malto é a fração mássica de sólidos presente na maltodextrina (kg de sólidos/ kg de maltodextrina);
% malto é a porcentagem de maltodextrina que vai para a alimentação
Considerando a relação determinada pela equação (3.2) e os dados da Tabela 7, tem-se: ṁC × Xs,C + ṁMalto × Xs,Malto = ṁF × Xs,F (3.1)
0,3 X ṁC = ṁMalto (3.2)
Xs,F = Xs,C × % C + Xs,malto × % malto (3.3)
Então,
Da equação (1.4),
A vazão mássica de produto gerado na etapa de formulação, para a obtenção da quantidade de produto desejada, é de 1239.71 kg/h. Considerando essa informação e substituindo a equação (3.2) na equação (3.1), tem-se:
Sendo assim,
Voltando para a equação (3.2), temos que:
4.1.4. BALANÇO DE MASSA NA ETAPA DE SECAGEM
A última etapa do processo onde há variação de massa é a da secagem. O esquema de correntes e composições dessa etapa está apresentada na Figura 34.
Xs,F = 0,3258
Xa,F = 0,6742
ṁC × 0,0594 + (0,3 X ṁC) × 0,9473= 1239,71 × 0,3258 (3.5)
ṁC = 1175,41 kg/h
Figura 34: :Esquema global para o balanço de massa na etapa de secagem
Fonte Autora
A eficiência do processo de secagem em spray-dryer foi baseada no trabalho de RAMOS, 2016 e foi definida como 63.98%. A equação que determina o rendimento do processo (ŋ) pode ser descrita como:
Onde:
ŋ é a eficiência do processo;
ṁP é a vazão mássica de produto gerado na etapa de secagem (kg/h);
Xs,P é a fração mássica de sólidos presente no produto da etapa de secagem(kg de sólidos/ kg de
produto);
ṁF é a vazão mássica de produto gerado na etapa de formulação (kg/h);
Xs,F é a fração mássica de sólidos presente no produto da etapa de formulação (kg de sólidos/ kg de
produto);
Baseando-se no trabalho da NAZARÉ, 1997, a fração mássica de água presente no produto da etapa de secagem usando 30% de maltodextrina como coadjuvante é de:
Da equação (1.4):
A partir desses dados, é possível reescrever a equação (4.1) da seguinte maneira:
Então,
Para determinar as vazões relacionadas às correntes de ar, vamos fazer um balanço de massa por componente da etapa de secagem. Para a água tem-se:
Onde:
ṁF é a vazão mássica de produto gerado na etapa de formulação (kg/h);
Xa,F é a fração mássica (Ubu) de água presente no produto da etapa de formulação (kg de água/ kg
de produto);
ṁEV é a vazão mássica de água evaporada (kg de água/h);
ṁP é a vazão mássica de produto gerado na etapa de secagem (kg/h)
Xa,P é a fração mássica (Ubu) de água presente no produto da etapa de secagem (kg de água/ kg de
produto);
ṁA é a vazão mássica de ar seco (kg de ar seco /h);
WAS é a umidade absoluta do ar de saída (kg de água/kg de ar seco);
WAA é a umidade absoluta do ar de atomização na entrada (kg de água/kg de ar seco);
Xa,P = 0,043 Xs,P = 0,957 ṁF = (270 × 0,957)/(0,6398 × 0,32577 ) (4.2) ṁF = 1239,71 kg/h ṁF × Xa,F - ṁEV -ṁP × Xa,P = ṁA (WAS – WAA) (4.3)
As umidades absolutas do ar na entrada e na saída foram definidas através da carta psicométrica na pressão de 120 kPa. (Figura 35).
Figura 35: Carta psicrométrica para determinação de WAA e WAS
Fonte: RAMOS,2016
Também baseado no trabalho sobre a avaliação de sistema de secagem em vacum spray dryer (RAMOS,2016), a vazão mássica de água evaporada foi definida como:
Sendo assim, a partir da equação (4.3), temos que:
Por fim, todas as vazões mássicas e frações mássicas de interesse foram encontradas. A Figura 36 ilustra o balanço de massa do processo completo com as correntes e composições de cada etapa.
ṁEV = 0,0402 kg/h
Figura 36: Balanço de massa do processo com os valores das vazões e frações mássicas
4.2. BALANÇO DE ENERGIA
O balanço de energia será realizado, de forma simplificada, na etapa de secagem em spray dryer por ser aquele que demanda maior energia de todo o processo. A Figura 37 apresenta o balanço global para o equipamento de secagem spray dryer. Ela complementa a Figura 34 com informações de temperatura, calor específico e entalpia.
Figura 37: Esquema global das correntes do spray dryer para o balanço de energia
Fonte: Autora
Considerando a Figura 37 o balanço global de energia para a etapa de secagem em spray dryer pode ser descrito como:
Onde:
ԚF é a potência térmica fornecida pela solução de alimentação (kW);
ԚAA é a potência térmica fornecida pelo ar de atomização do sistema (kW);
ԚAS é a potência térmica perdida com o ar de saída do sistema (kW);
ԚEV é a potência térmica perdida com a corrente de água evaporada do sistema (kW);
ԚF + ԚAA = ԚAS + ԚEV + ԚP + ԚAMB (5.1)
ԚP é a potência térmica perdida com o produto gerado pelo sistema (kW);
ԚAMB é a potência térmica perdida para o ambiente pelo sistema (kW);
As potências térmicas descritas acima podem ser obtidas a partir das seguintes equações:
Onde:
Cps é o calor específico dos sólidos (kJ/kg˚C);
Cpa é o calor específico da água (kJ/kg˚C);
TF é a temperatura de alimentação (˚C);
hAA é a entalpia do ar de atomização (kJ/kg de ar seco);
hAS é a entalpia do ar de saída (kJ/kg de ar seco);
λo é o calor latente de vaporização da água a 0˚C (kJ/kg); TP é a temperatura do produto gerado (˚C);
Para a obtenção dos calores específicos, foram usadas as equações para cálculo das propriedades termo físicas de Choi e Okos (1986). Para o cálculo do calor específico dos sólidos e considerando que os sólidos que passam pelo processo de secagem são guaraná e maltodextrina em pó, foram usadas as informações: porcentagem de maltodextrina usada (30%), umidade da maltodextrina proveniente da sua fração mássica de água (Tabela 7) e os dados referentes ao pó de
ԚF = ṁF× (Xs,F × Cps + Xa,F × Cpa) × TF (5.2) ԚAA = ṁAA × hAA (5.3) ԚAS = ṁAS × hAS (5.4) ԚEV = ṁEV× λo (5.5) ԚP = ṁP× (Xs,P × Cps + Xa,P × Cpa) × TP (5.6)
guaraná que se apresentam na Tabela 2. Para o cálculo do calor específico da água, a temperatura usada foi de 25 ˚C. Seus valores calculados estão apresentados na Tabela 8.
Tabela 8: Valores dos calores específicos calculados para a água e sólidos a partir das equações de Choi e Okos (1986) Calores específicos (kJ/kg.°C ) Água (Cpa) 4,177 Sólidos (Cps) 1,825 Fonte: Autora
A entalpia do ar de atomização (170 °C), tendo como referência a pressão atmosférica (1 atm) e a temperatura de 0 °C, pode ser obtida através da seguinte equação:
Sendo,
Tbs a temperatura de bulbo seco;
A temperatura de bulbo seco equivale a temperatura do ar e, portanto, a entalpia do ar de atomização é:
Para a entalpia do ar de saída na pressão atmosférica levaremos em consideração que a máxima evaporação de água é obtida quando o ar de saída estiver no seu estado saturado (RAMOS, 2016).
Das tabelas de vapor saturado, para a pressão de 1 atm, tem-se a entalpia de vapor saturado (hAS) de 2706,85 kJ/kg.
As vazões e frações mássicas, que serão usadas para o cálculo do balanço de energia, foram calculadas no balanço de massa e estão representadas na Figura 36.
hA= 1,005 x (Tbs – 0) (5.7)
hAA = 1,005 x 170
