BRUNO CIDADE NEVES
DIMENSIONAMENTO DE UM PASTEURIZADOR PARA UMA MICROCERVEJARIA
Tubarão 2017
BRUNO CIDADE NEVES
DIMENSIONAMENTO DE UM PASTEURIZADOR PARA UMA MICROCERVEJARIA
Relatório Técnico/Científico apresentado ao Curso de Engenharia Química da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Químico.
Profª. MSc. Maria Lúcia Soares Cochlar, Orientadora.
Tubarão 2017
Dedico-o a todos que contribuíram para que este dia chegasse. Principalmente a minha família.
AGRADECIMENTOS
Agradecimentos são difíceis, pois há grandes chances de alguma ingratidão ser cometida caso algum nome importante não seja lembrado tão prontamente.
Portanto, agradeço à Deus pôr na maioria das vezes atender às preces que lhe foram feitas.
Agradeço aos meus pais Fernando e Vanderléia, por sempre estarem dispostos a ajudar, sem medir esforços na realização de inúmeros sacrifícios para que seu filho concluísse a graduação tão sonhada, assim como agradeço meus irmãos Pâmella e Charles.
Aos meus avós, Dona Rosa por sempre me aguardar na serra, com as comidas preferidas do neto quentinha no fogão, além das velas acesas e orações feitas todo fim de semestre. E seu Ari, obrigado pelo violão sempre afinado e as rifas que tentamos todo natal ganhar. E o seu Assis e Dona Nara por serem os embaixadores da educação na família, desejando tanto quanto seu neto a busca pelo conhecimento sempre, sem esquecer das minhas maçãs, os kiwis, além do pinhão que sempre fazia sucesso nos invernos de Tubarão.
Não posso deixar de agradecer todos os meus amigos que fizeram inúmeros dias difíceis se tornarem mais agradáveis. Em especial aos meus amigos que acompanharam-me mesmo além-mar, Brenda e Júnior. Ao Marcos obrigado por sempre acreditar nas minhas megalomanias, e mesmo sem cursar engenharia ouvir sempre pacientemente sobre polímeros, reatores e suas reações químicas, dentre vários outros momentos.
Não menos importante, obrigado a todos os professores que fizeram parte da minha formação, do jardim de infância até os dias de hoje e desejo que todas as pessoas um dia compreendam a nobreza de vossas profissões.
Por fim, um muito obrigado aos empreendedores e amigos que abriram a porta de sua microcervejaria e deram-me a oportunidade de realizar este trabalho.
“Alguns homens vêem as coisas como são, e dizem ‘Por quê?’ Eu sonho com as coisas que nunca foram e digo ‘Por que não?'” (George Bernard Shaw).
RESUMO
Dentre as inúmeras atribuições esperadas que sejam conhecidas por um engenheiro químico, está a de conhecer os princípios da transferência de calor. Equipamentos de troca térmica são vistos em vários ramos da indústria, no setor de produção de bebidas estes equipamentos podem ser vistos como pasteurizadores, importantes na garantia de uma bebida com maior durabilidade e microbiologicamente estável. O principal objetivo deste trabalho foi dimensionar um trocador de calor para utilização em uma microcervejaria. Para atingir este objetivo, buscou-se compreender o que acontece durante a pasteurização da cerveja, assim como quais equipamentos poderiam realizar este processo. Em um mercado que cresce constantemente, a busca por inovações, além de métodos eficientes de produção estão sempre em pauta. Portanto, abordou-se o dimensionamento de dois equipamentos, um pasteurizador duplo tubo e um de placas para que o proprietário da cervejaria possa avaliar qual adequa-se ao seu objetivo. Para o dimensionamento do equipamento pasteurizador de placas, a principal complicação deveu-se ao fato de existir em literatura poucas informações sobre as dimensões das placas existentes no mercado. Por fim, o equipamento com menor área necessária para troca térmica, maior coeficiente de troca térmica global foi o pasteurizador (trocador de calor) de placas.
ABSTRACT
Among the many expected assignments that are known to a chemical engineer, is to know the principles of heat transfer. Thermal exchange devices are seen in several industry branches, in the beverage production market these devices can be seen as pasteurizers, important to assure a beverage with longer durability and microbiologically stable. The main goal of this report was to design a heat exchanger, pasteurizer, for the use in a microbrewery. To achieve this goal, we tried to understand what happens during the pasteurization of beer, as well as which equipments could perform this process. In a market that is constantly growing, the search for innovations as well as efficient production methods are always on the agenda. Therefore, we approached the design of two equipments, a double pipe pasteurizer and one with plates so that the owner of the brewery can evaluate which one suits his goals. For the dimensioning of the plate pasteurizing equipment, the main complication is due to the fact that in literature there is little information about the dimensions of the plates available in the market. Finally, the equipment with the smallest area required for thermal exchange, higher coefficient of global heat exchange was the plate pasteurizer (plate heat exchanger).
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Esquema das placas em um trocador de calor ... 35
Figura 2 – Esquema de um Pasteurizador de Leite ... 35
Figura 3 – Esquema de um trocador duplo tubo ... 37
Figura 4 – Esquema das diferenças médias logarítmicas das temperaturas ... 42
Figura 5 – Parâmetros de uma placa de troca térmica ... 53
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Número de Placas Inicial ... 55
Gráfico 2 - Velocidade Mássica do Fluido nos Canais ... 56
Gráfico 3 - Comparativo Reynolds para cada placa ... 57
Gráfico 4 - Comparativo entre os coeficientes de película ... 60
Gráfico 5 – Comparativo entre os Coeficientes Globais ... 62
Gráfico 6 - Comparativo entre áreas totais para troca térmica ... 64
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Propriedades dos fluídos – Etapa de Aquecimento ... 41
Tabela 2 – Dados dos tubos de Inox 304L ... 44
Tabela 3 – Tomada de decisão ... 44
Tabela 4 – Relação entre Dtubos e Uglobal ... 47
Tabela 5 – Resumo dos Resultados - Etapa de Aquecimento ... 48
Tabela 6 – Propriedades dos fluídos – Etapa de Resfriamento ... 49
Tabela 7 – Resumo dos Resultados - Etapa de Resfriamento ... 49
Tabela 8 – Resumo do equipamento completo – Duplo Tubo ... 50
Tabela 9 – Valores obtidos no balanço de massa e energia... 51
Tabela 10 – Parâmetros de placas Chevron ... 54
Tabela 11 – Comparativo do número de placas e diâmetro equivalente ... 54
Tabela 12 – Comparativo da velocidade do fluido mássico por canal ... 56
Tabela 13 – Comparativo do Número de Reynolds ... 57
Tabela 14 – Parâmetros de troca térmica - Constantes ... 59
Tabela 15 – Comparativo do número de Nusselt e Coeficientes de Película ... 60
Tabela 16 – Coeficiente convectivo global – Incrustação Inicial ... 62
Tabela 17 – Coeficiente global de transferência de calor – Incrustação de -20% ... 62
Tabela 18 – Contribuição de cada resistência ao sistema ... 63
Tabela 19 – Comparativo das áreas necessárias para troca de calor ... 63
Tabela 20 – Resumo dos Resultados Trocador de Placas - Etapa de Resfriamento ... 65
Tabela 21 – Comparativo da contribuição das resistências ao coeficiente global ... 65
Tabela 22 – Resumo do equipamento completo – Pasteurizador de placas ... 66
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 13 1.1 JUSTIFICATIVA E PROBLEMA ... 14 1.2 OBJETIVOS ... 14 1.2.1 Objetivo geral ... 14 1.2.1.1 Objetivos específicos ... 15 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 16
2.1 O QUE É CERVEJA? UMA BREVE ABORDAGEM ... 16
2.1.2 Identidade da cerveja ... 18
2.2 CONSERVAÇÃO E PROCESSAMENTO DA CERVEJA ... 20
2.2.1 Tratamento térmico ... 21
2.2.2 Pasteurização na Cerveja ... 22
2.2.3 A cerveja não pasteurizada ... 24
2.2.3.1 Turbidez ... 25
2.2.3.2 Sulfuroso e Levedura ... 25
2.2.4 Acondicionamento Pós Pasteurização ... 26
2.3 FENÔMENOS DE TRANSPORTE ... 26
2.3.1 Transporte de Calor ... 27
2.3.1.1 Transporte de Calor por Condução... 28
2.3.1.2 Transporte de Calor por Convecção ... 31
2.4 TROCADORES DE CALOR ... 33
2.4.1 Trocador de Calor de Placas ... 34
2.4.2 Trocador de Calor de Tubos ... 36
2.4.3 Escolha do Material para o Trocador ... 37
3 METODOLOGIA DA PESQUISA ... 39
3.1 PESQUISA CIENTÍFICA ... 39
3.2 A PESQUISA REALIZADA ... 39
3.2.1 Instrumentos de Coleta de Dados ... 40
3.3 ANÁLISE DOS DADOS E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 41
3.3.1 Projeto do Trocador de Duplo Tubo ... 41
3.3.1.1 Trocador para a Etapa de Aquecimento do Mosto ... 41
3.3.1.3 Média Logarítmica das Diferenças de Temperaturas ... 42
3.3.1.4 Cálculo das Temperaturas Calóricas ... 43
3.3.1.5 Tomada de Decisão ... 43
3.3.1.5.1 Cálculo das áreas ... 44
3.3.1.6 Cálculo da Velocidade Mássica... 45
3.3.1.7 Cálculo do Número de Reynolds ... 45
3.3.1.8 Cálculo do Coeficiente de Película... 45
3.3.1.9 Cálculo do Coeficiente Global Limpo (UC) ... 46
3.3.1.10Cálculo do Coeficiente de Projeto (UD) ... 46
3.3.1.11Cálculo da Área do Trocador de Calor ... 46
3.3.1.12Número de Grampos... 47
3.3.1.13Decisão do Diâmetro do Tubo do Trocador ... 47
3.3.2 Trocador de Calor Duplo Tubo para Etapa de Resfriamento ... 48
3.3.3 O Pasteurizador Duplo Tubo ... 50
3.3.4 Trocador de Calor a Placas ... 51
3.3.5 Trocador de Calor de Placas – Etapa de Aquecimento ... 51
3.3.5.1 Balanço de Massa e Energia ... 51
3.3.5.2 Cálculo da Diferença Média Logarítmica das Temperaturas ... 51
3.3.5.3 Coeficiente Convectivo Inicial ... 51
3.3.5.4 Estimativa da Área Inicial de Troca Térmica ... 52
3.3.5.5 Propriedades das Placas de Troca Térmica e Estimativa no Número de Placas ... 52
3.3.5.6 Fluxo Mássico nos Canais ... 55
3.3.5.7 Número de Reynolds ... 57
3.3.5.8 Número de Prandt ... 58
3.3.5.9 Determinação dos Coeficientes Convectivos Locais ... 58
3.3.5.10Coeficiente Global de Troca Térmica ... 61
3.3.5.11Áreas do Trocador de Placas – Seção de Aquecimento ... 63
3.3.6 Trocador de Calor de Placas – Resfriamento ... 64
3.3.7 O Pasteurizador de Placas ... 66
3.3.8 O Comparativo entre Equipamentos... 66
4 CONCLUSÃO ... 68
1 INTRODUÇÃO
Uma das principais responsabilidades da engenharia química está em facilitar a forma em como as matérias-primas serão convertidas em produto final, desta forma, ela está presente em diversas etapas de inúmeros processos de transformações de matérias. Neste relatório, o processo tratado é o de pasteurização da cerveja, onde abordar-se-á o equipamento pasteurizador e suas particularidades em relação ao seu dimensionamento.
A cerveja, que é uma bebida alcóolica fermentada, sempre foi uma bebida muito popular em nossa país. Contudo, nos últimos anos, micro cervejarias vem ganhando espaço no mercado, consumidores e por consequência, buscando diariamente inovações, tanto na diversificação de seus produtos, como inovações no processo produtivo, para assim, manter-se neste mercado de grande concorrência.
A pasteurização é um processo térmico, criado por Louis Pasteur, em 1864. Tem por objetivo o extermínio parcial da flora banal e a eliminação total da flora microbiana patogênica. A temperatura empregada não ultrapassa aos 100ºC e pode ser obtida por água quente, por calor seco, vapor, corrente elétrica e radiação ionizante (EVANGELISTA, 1994, p. 487).
Este processo, de pasteurização, é necessário para garantia de uma cerveja microbiologicamente estável, com maior vida útil de prateleira e segura para o consumo. Apesar de ser estudado desde 1864, ainda há inúmeras variáveis que podem ser estudadas no equipamento que realiza esta etapa da produção da cerveja.
Nos dias de hoje, os pasteurizadores podem ser equipamentos de diferentes configurações de acordo com a indústria que o utiliza. Nas cervejarias, pode-se utilizar o pasteurizador de túnel, assim como pasteurizadores tubulares e também de placas. No entanto, quando tratamos dos trocadores de placas, as empresas fabricantes destes equipamentos detêm suas tecnologias e informações, sem fácil acesso, o que por vezes dificulta que os produtores menores possam adaptar estes equipamentos a sua realidade sem que recorram aos fabricantes tradicionais.
Dessa forma, este relatório aborda o estudo do dimensionamento de um pasteurizador para uma microcervejaria, de maneira atender as particularidades do processo produtivo da empresa.
1.1 JUSTIFICATIVA E PROBLEMA
É sabido que no Brasil o consumo da cerveja é consideravelmente maior em relação à outras bebidas alcoólicas. A região sul de Santa Catarina, assim como o restante do estado vem consolidando-se no nicho de mercado das cervejas artesanais, que nos últimos anos recebem destaque e aceitação, além de prêmios nacionais e internacionais. Contudo, os produtores encontram algumas dificuldades na obtenção de insumos e equipamentos para a produção da bebida. Estes obstáculos devem-se ao fato de que estes materiais, e equipamentos, em sua maioria, precisam ser importados encarecendo o processo produtivo.
Entre os objetivos da Universidade do Sul de Santa Catarina, está a busca pela formação de engenheiros químicos que atuem com visão empreendedora. Portanto, quando, busca-se desenvolver, dimensionar um novo equipamento, empreende-se, com o intuito de fornecer novas alternativas à indústria micro cervejeira.
A produção de bebidas fermentadas, alcoólicas ou não, possuem alguns processos que são determinantes para a manutenção da qualidade e segurança no consumo do produto final, sendo que neste relatório aborda-se como processo, o tratamento térmico. Dentre os existentes, a pasteurização permite a garantia de conservação dos aspectos qualitativos do produto, provendo uma bebida microbiologicamente estável. Trata-se de um importante sistema, pois quando não submetidas a tal, os processos fermentativos da cerveja podem continuar no recipiente em que será comercializada, por ainda possuir leveduras e bactérias ativas presentes no líquido. Quando não pasteurizada, a bebida poderá apresentar alterações nas características aromáticas, gustativas e visuais, do produto final, não desejadas pelo consumidor, por isso, o processo produtivo necessita respeitar todas suas etapas.
Visto as considerações, apresenta-se como questão central dessa pesquisa: Como dimensionar um pasteurizador, em uma microcervejaria localizada no sul de Santa Catarina? Durante estudo realizado para o estágio supervisionado de Engenharia Química, da Universidade do Sul de Santa Catarina em Tubarão.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo geral
Dimensionar um equipamento pasteurizador, para uma microcervejaria localizada no sul de Santa Catarina.
1.2.1.1 Objetivos específicos
a- Descrever o processo de pasteurização da cerveja.
b- Explicar como ocorre o fenômeno de troca de calor nos equipamentos propostos. c- Descrever as vantagens e desvantagens da utilização de um trocador de calor a placas em relação à um trocador de calor de duplo tubo no processo pretendido.
d- Dimensionar o equipamento.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 O QUE É CERVEJA? UMA BREVE ABORDAGEM
A cerveja, provinda da cevada maltada, muito próxima da cerveja que é consumida atualmente, tem origem bastante antiga, oriunda dos primeiros povos que deixaram de ser nômades e passaram a dominar a agricultura.
Há evidências de que a cerveja feita de cevada maltada já era fabricada na Mesopotâmia em 6000 antes de Cristo. No quarto ou quinto milênio antes de Cristo já existiam diversos tipos de cerveja. No Egito, chegou mais tarde, provavelmente de origem independente, encontrando-se referências de seu uso como oferendas mortuárias na quinta dinastia a 2800 anos antes de Cristo... No Reinado de Ramsés III, 1225 anos antes de Cristo, é relatada a distribuição do equivalente a mais de 2 milhões de litros de cerveja. (AQUARONE, 1983, p. 46).
Muitos conhecem a palavra beer, além de seu homônimo alemão, e por esta bebida ser rapidamente associada a cultura alemã, erroneamente creditam a origem da palavra a tal país. Contudo, a palavra inglesa, na verdade tem origem do latim.
“A palavra inglesa correspondente a cerveja é beer, que provém do latim bibere e significa beber. A cerveja é uma das mais antigas e apreciadas bebidas do mundo, e faz parte da cultura da maioria das civilizações antigas.” (OETTERER. 2006, p. 51).
Apesar da bebida ser muito antiga, no Novo Mundo, não há registros de que a cerveja, próxima do que somos acostumados nos dias de hoje, tenha sido descoberta há anos antes de Cristo. Apenas após a chegada dos europeus nas Américas é que a produção de cerveja passou a acontecer nestes continentes.
Imigrantes ingleses e holandeses trouxeram a tecnologia doméstica da fabricação de cerveja para a América, preparando-a a partir de milho e lúpulo. Nesse continente, a primeira cervejaria foi construída em 1544, na Cidade do México. Em 1632, a Companhia Holandesa das Índias Ocidentais registrou uma cervejaria na cidade de Nova York, as quais exigiam o uso de malte e a presença de um mestre cervejeiro nas fábricas. Assim, o processo de fabricação da cerveja, até então doméstico, expandiu para o processo em escala industrial. (id ibid., p.56).
No Brasil, a cerveja, que é uma bebida muito popular, não está presente em nossos hábitos desde que este país foi descoberto. Assim como os europeus trouxeram a cerveja para as Américas, no Brasil, só quando a família real portuguesa veio para o país é que a indústria cervejeira foi introduzida.
“Em 1808 D. João VI introduziu a cerveja no Brasil. Em 1900 já estava estabelecida a indústria cervejeira no Brasil, com 27 cervejarias registradas. A Brahma Villigier foi fundada em 1888 e a Antarctica Paulista, em 1981”. (OETTERER. 2006, p. 56).
A indústria cervejeira no Brasil é bastante representativa, sendo o Brasil um dos maiores países produtores desta bebida.
“O sucesso da indústria brasileira se deve a boa qualidade da bebida e ao clima do país, que permite um consumo praticamente uniforme durante o ano todo, com queda de apenas 10% nos meses mais frios.” (id ibid., p.56).
A cerveja é uma bebida fermentada que pode ser produzida, comercializada e apresentada ao mercado em diferentes estilos. Estes estilos de cervejas, na maioria das vezes estão diretamente ligados à cultura do lugar onde é produzida. Uma vez que vários estilos de cerveja foram surgindo, muitas fraudes e bebidas de baixa qualidade apareciam também, além de bebidas que ameaçavam comercialmente países em que a cerveja era um dos principais produtos comercializados. Dessa forma, esses fatores associados levaram em determinada época que fosse criada uma legislação que padronizasse a produção da cerveja.
O primeiro regulamento sobre cerveja ocorreu na Baviera, em 1516, assinado pelo Duque Guilherme IV, que decretou a “Lei da Pureza” (Reinheitsgebot). Essa lei determinava os ingredientes que poderiam ser utilizados na fabricação da cerveja: malte de cevada, lúpulo e água. Não se conhecia, na época, a existência da levedura como agente fermentador do processamento da cerveja. (OETTERER. 2006, p. 52). A Lei da Pureza foi a primeira medida que regulamentou o processo produtivo da cerveja no mundo. No Brasil, temos o decreto 6.871 de 2009 que versa sobre a bebida.
Regulamenta a Lei nº 8.918, de 14 de julho de 1994, que dispõe sobre a padronização, a classificação, o registro, a inspeção, a produção e a fiscalização de bebidas. Seção III Das Bebidas Alcoólicas Fermentadas Art. 36. Cerveja é a bebida obtida pela fermentação alcoólica do mosto cervejeiro oriundo do malte de cevada e água potável, por ação da levedura, com adição de lúpulo. § 1º O malte de cevada usado na elaboração de cerveja e o lúpulo poderão ser substituídos por seus respectivos extratos. § 2º Malte é o produto obtido pela germinação e secagem da cevada, devendo o malte de outros cereais ter a designação acrescida do nome do cereal de sua origem. § 3º Extrato de malte é o resultante da desidratação do mosto de malte até o estado sólido, ou pastoso, devendo, quando reconstituído, apresentar as propriedades do mosto de malte. § 4º Parte do malte de cevada poderá ser substituído por adjuntos cervejeiros, cujo emprego não poderá ser superior a quarenta e cinco por cento em relação ao extrato primitivo. § 5º Consideram-se adjuntos cervejeiros a cevada cervejeira e os demais cereais aptos para o consumo humano, malteados ou nãomalteados, bem como os amidos e açúcares de origem vegetal. (BRASIL. 2009, p. 1).
Contudo, analisando as particularidades entre as duas legislações sobre a produção de cerveja, é possível perceber que a atual legislação brasileira é menos restritiva que a Lei da Pureza, originária de 1516.
Portanto, como a legislação nacional permite uma maior diversidade de cereais para a produção da bebida, hoje, as cervejas mais vendidas já não se prendem a empregar apenas três ingredientes em sua produção.
“A cerveja é constituída basicamente de água, malte de cevada, gritz de milho, lúpulo, açúcar, levedura cervejeira, aditivos e coadjuvantes tecnológicos.” (REBELLO. 2009, p. 153).
Logo, apesar de toda diversidade de estilos, leis que regulamentam o setor, a cerveja, para ser cerveja precisa ser uma bebida obtida através da fermentação alcóolica de mosto de cereais maltados, e com teor alcóolico relativamente baixo.
Cerveja é a bebida não destilada obtida através de fermentação alcóolica de mosto de cereal maltado, geralmente malte de cevada. É facultativa a adição de outra matéria-prima amilácea ou de lúpulo, e em geral o teor alcoólico é baixo, de 3% a 8%. Sob esta designação podem-se encontrar os mais diversos tipos de cerveja, obtidos por processos que vão da fabricação caseira à cerveja de processamento industrial, altamente tecnicizado. (AQUARONE. 1983, p. 44).
Apesar de o Brasil ter sido um dos últimos países da América Latina onde a indústria cervejeira foi instalada, isto não impediu nossa indústria de obter números significativos. Atualmente o Brasil é o maior mercado da América do Sul e um dos maiores do mundo.
O setor cervejeiro brasileiro é o mais importante do mercado sul-americano e um dos maiores do mundo. O Brasil com produção de 8,5 bilhões de L/ano só perde, em volume, para a China com 27,0 bilhões de L/ano, Estados Unidos com 23,6 bilhões de L/ano, Alemanha, com 10,5 bilhões de L/ano e Rússia com 9,0 bilhões de L/ ano. (REBELLO. 2009, p. 153).
Além de o Brasil ser um grande produtor de cerveja, por ser um país de grande diversidade cultural, apresenta também diferentes estilos de cerveja, fato crescente nos últimos anos. Contudo, a identidade da cerveja é regulamentada, como veremos em seguida.
2.1.2 Identidade da cerveja
Como já dito anteriormente, a cerveja pode ser encontrada em diversos estilos, seja variando o processo produtivo como também alguns ingredientes. No entanto, no Decreto 6.871 de 2009, na Seção III, a identidade da cerveja é abordada:
Art. 37. Das características de identidade da cerveja deverá ser observado o seguinte: I - a cor da cerveja deverá ser proveniente das substâncias corantes do malte da cevada, sendo que: a) para corrigir ou intensificar a cor da cerveja, é permitido o uso do corante caramelo, e de corantes naturais previstos em legislação específica; b) na cerveja escura será permitido somente o uso de corante caramelo; e c) admite-se a utilização de corante natural, autorizados pela legislação própria, com a finalidade de padronizar a cor das cervejas definidas nos arts. 40, 41 e 42; II - para fermentação do mosto, será usada a levedura cervejeira; III - a cerveja deverá ser estabilizada biologicamente por processo físico apropriado, podendo ser denominada de Chope ou Chopp a cerveja não submetida a processo de pasteurização para o envase; IV - a água potável empregada na elaboração da cerveja poderá ser tratada com substâncias químicas, por
processo físico ou outro que lhe assegure as características desejadas para boa qualidade do produto, em conjunto ou separadamente; e V - a cerveja deverá apresentar, a vinte graus Celsius, pressão mínima de atmosfera de gás carbônico proveniente da fermentação, sendo permitida a correção por dióxido de carbono ou nitrogênio, industrialmente puros. Art. 38. As cervejas são classificadas: I - quanto ao extrato primitivo, em: a) cerveja leve, definida como sendo a cerveja cujo extrato primitivo é maior ou igual a cinco por cento em peso e menor que dez e meio por cento em peso, podendo denominar-se cerveja light a cerveja leve que cumpra também, cumulativamente, os requisitos constantes dos itens 1 e 2, seguintes: 1. redução de vinte e cinco por cento do conteúdo de nutrientes ou do valor energético com relação a uma cerveja similar do mesmo fabricante (mesma marca comercial), ou do valor médio do conteúdo de três cervejas similares conhecidas e que sejam produzidas na região; e 2. valor energético da cerveja pronta para o consumo deve ser no máximo de trinta e cinco quilocalorias por cem mililitros; b) cerveja ou cerveja comum, definida como sendo a cerveja cujo extrato primitivo é maior ou igual a dez e meio por cento em peso e menor que doze por cento em peso; c) cerveja extra, definida como sendo a cerveja cujo extrato primitivo é maior ou igual a doze por cento em peso e menor ou igual a quatorze por cento em peso; ou d) cerveja forte, definida como sendo a cerveja cujo extrato primitivo é maior que quatorze por cento em peso; II - quanto à cor, em: a) cerveja clara, a que tiver cor correspondente a menos de vinte unidades EBC (European Brewery Convention); b) cerveja escura, a que tiver cor correspondente a vinte ou mais unidades EBC (European Brewery Convention); ou c) cerveja colorida, a que, pela ação de corantes naturais, apresentar coloração diferente das definidas no padrão EBC (European Brewery Convention); III - quanto ao teor alcoólico, em: a) cerveja sem álcool, quando seu conteúdo em álcool for menor ou igual a meio por cento em volume, não sendo obrigatória a declaração no rótulo do conteúdo alcoólico; ou b) cerveja com álcool, quando seu conteúdo em álcool for superior a meio por cento em volume, devendo obrigatoriamente constar no rótulo o percentual de álcool em volume; IV - quanto à proporção de malte de cevada, em: a) cerveja de puro malte, aquela que possuir cem por cento de malte de cevada, em peso, sobre o extrato primitivo, como fonte de açúcares; b) cerveja, aquela que possuir proporção de malte de cevada maior ou igual a cinqüenta e cinco por cento em peso, sobre o extrato primitivo, como fonte de açúcares; ou c) "cerveja de ...", seguida do nome do vegetal predominante, aquela que possuir proporção de malte de cevada maior que vinte por cento e menor que cinqüenta e cinco por cento, em peso, sobre o extrato primitivo, como fonte de açúcares; V - quanto à fermentação, em: a) de baixa fermentação; ou b) de alta fermentação. Art. 39. De acordo com o seu tipo, a cerveja poderá ser denominada: Pilsen, Export, Lager, Dortmunder, Munchen, Bock, Malzbier, Ale, Stout, Porter, Weissbier, Alt e outras denominações internacionalmente reconhecidas que vierem a ser criadas, observadas as características do produto original. Art. 40. A cerveja poderá ser adicionada de suco ou extrato de vegetal, ou ambos, que poderão ser substituídos, total ou parcialmente, por óleo essencial, essência natural ou destilado vegetal de sua origem. Art. 41. A cerveja adicionada de suco de vegetal deverá ser denominada "cerveja com ...", acrescida do nome do vegetal. Art. 42. Quando o suco natural for substituído total ou parcialmente pelo óleo essencial, essência natural ou destilado do vegetal de sua origem, será denominada "cerveja sabor de ...", acrescida do nome do vegetal. (BRASIL. 2009, p.1).
A legislação permite que vários estilos de cerveja sejam produzidos e comercializados. Este fato permite que a indústria possa se diversificar, ofertando ao consumidor uma grande gama de produtos. Contudo, cada estilo de bebida também levará há algumas particularidades no processo produtivo, como no processão de conservação por exemplo.
2.2 CONSERVAÇÃO E PROCESSAMENTO DA CERVEJA
A competitividade dos mercados, as exigências de consumidores e de órgãos fiscalizadores, fazem com que cada vez mais, necessite-se do emprego de tecnologia nos processos produtivos para que o produto apresente o melhor nível possível de qualidade. Fator este que também é determinante para o sucesso na indústria cervejeira.
Existe uma variedade de definições sobre “qualidade” de alimentos. Para o consumidor, os atributos de qualidade mais importante são suas características sensoriais (textura, sabor, aroma, forma e cor). Elas determinam a preferência individual por produtos específicos, e pequenas diferenças entre marcas de produtos similares podem ter uma influência substancial na aceitação. Um objetivo contínuo dos fabricantes de alimentos é de buscar melhorias no processamento que retenham ou criem qualidades sensoriais desejáveis ou reduzam os danos causados pelo processamento. (FELLOWS. 2006, p. 63).
Quando falamos em qualidade de um produto, imediatamente nós pensamos em avaliar aspectos gustativos, aspectos olfativos e visuais do produto. No entanto, ao avaliarmos estes aspectos, temos que ter em mente que para tais avaliações serem feitas, vários processos produtivos foram empregados ao produto anteriormente e estão intimamente ligados aos fatores citados inicialmente. Um dos processos produtivos que tem ligação direta com alguns dos principais aspectos qualitativos do produto, são os métodos de conservação de alimentos.
“Os métodos de conservação: - Previnem o acesso de patógenos ao alimento. - Inativam qualquer patógeno que tenha ganhado acesso. - Previnem ou reduzem a multiplicação de patógenos, no caso de os métodos anteriores terem falhado”. (FORSYTHE. 2013, p. 153).
Para que obtenha-se um produto final de qualidade satisfatória, que agrade o consumidor, todos os seus processos individualmente devem atender certos parâmetros. A cerveja é uma bebida alcoólica, que não é considerada um alimento, no entanto, a cerveja é passível de sofrer deterioração durante seu processo fabril se este for inadequado.
“Todos os alimentos podem ser deteriorados antes do consumo, entre a colheita, processamento e a estocagem. A maioria dos métodos de conservação são elaborados para inibir a multiplicação de micro-organismos “. (id ibid., p.153).
A conservação dos alimentos pode ser realizada através de inúmeros métodos, sejam estes físicos, químicos e/ou físico-químicos. No que se refere a indústria de bebidas fermentadas, alguns conservantes químicos são permitidos durante o processo produtivo, contudo, as quantidades devem ser muito pequenas para que não tenham influência em aspectos qualitativos/gustativos da bebida. Dessa forma, prefere-se empregar alguns tratamentos que são de caráter físico ou físico-químicos.
Os métodos que previnem ou inibem a multiplicação microbiana são: resfriamento. congelamento, secagem, cura, processos de conserva, embalagens à vácuo, embalagens com atmosfera modificadas, acidificação, fermentação e adição de conservantes. Outros métodos inativam os micro-organismos como, pasteurização, a esterilização e a irradiação. (id ibid., p.153).
Dos métodos de conservação, prefere-se os de caráter físico, geralmente que envolvem mudanças de temperatura, como a pasteurização, no caso de bebidas.
2.2.1 Tratamento térmico
Uma das maneiras mais populares de conservar um alimento, aplicando algum tratamento que faça com que o consumo deste alimento seja seguro, é a aplicação do tratamento térmico.
No que diz respeito ao processamento de alimentos, o emprego de calor é o método mais comum para aumentar a vida de prateleira dos produtos, possibilitando a inativação ou inibição do crescimento de microrganismos e enzimas. (SUCUPIRA. 2012, p. 122).
Contudo, o tratamento empregando calor, pode fazer com que o alimento tenha algumas mudanças físico-químicas, como mudanças na cor, ou até mesmo na desnaturação de algumas vitaminas.
Tratamento térmico é um modo universal de preparo de alimentos e tem sido utilizado por milhares de anos. Esses processos causam mudanças físico-químicas, as quais podem melhorar o sabor, cheiro, a aparência e a digestibilidade do alimento. Além disso, pode reduzir os níveis de contaminação microbiana. Todos os micro-organismos têm uma faixa de temperatura que favorece seu desenvolvimento. (FORSYTHE. 2013, p. 163).
A aplicação de tratamentos térmicos permite que inúmeros microrganismos sejam destruídos, ou tornados inativos nos alimentos e bebidas em que tal procedimento é imposto. Quando destruídos, esses microrganismos influenciarão de maneira que o produto final poderá ter uma maior vida-útil, além de não sofrer alterações indesejadas nos aspectos gustativos, aromáticos e visuais.
Um dos procedimentos físicos de que dispõe a tecnologia de alimentos para aumentar a vida útil dos mesmos é a destruição dos micro-organismos pela ação letal do calor. Existem duas modalidades de tratamento térmico: uma, denominada pasteurização, que pretende fundamentalmente a higienização dos alimentos, e a outra, esterilização, cujo objetivo é a destruição dos microorganismos presentes, esporulados ou não, ou pelo menos de todos aqueles que possam multiplicar-se no produto final. Com o primeiro, procura-se obter um alimento isento de microorganismos patogênicos não esporulados e, com o segundo, o alimento microbiologicamente estável para poder ser armazenado durante longo tempo em temperatura ambiente. (ÓRDOÑEZ. 2005, p. 109).
A cerveja é uma bebida fermentada, por ação de leveduras. Ao fim da fermentação a cerveja também é uma bebida de caráter ácido, com baixo pH e com teor alcoólico entre 3% e pode chegar à 10%. Todos estes fatores associados, fazem com que a cerveja seja uma bebida que não necessite de processos conservativos muito agressivos ou complexos.
Os alimentos muito ácidos, com pH inferior a 4, não podem sofrer outras alterações a não ser aquelas decorrentes do crescimento de mofos e leveduras, uma vez que nenhuma bactéria esporulada nem a grande maioria das vegetativas podem multiplicar-se a esses valores de pH. Esse tipo de alimento não necessita de tratamentos térmicos superiores a 100ºC; portanto, eles podem ser fabricados sem a necessidade de pressão. (id ibid., p.115).
Além de um alimento que seja saudável e seguro ao consumo, é um fator importante ao produtor, o tempo em que este produto pode ficar disponível na prateleira sem perder em qualidade. Dessa forma, os tratamentos térmicos de conservação de bebidas e alimentos, atuam de maneira conjunta, fornecendo um produto final higienicamente seguro e com uma maior vida útil sem perder em aspectos qualitativos e nutricionais.
A pasteurização é um tratamento térmico relativamente brando, no qual o alimento é aquecido a temperaturas menores que 100ºC. Em alimentos de baixa acidez (pH>4,5 como o leite), a pasteurização é utilizada para minimizar possíveis riscos à saúde devido à contaminação com microrganismos patogênicos e para aumentar a vida de prateleira de alimentos por diversos dias. Em alimentos ácidos (pH<4,5 como conservas de frutas), a pasteurização é utilizada para aumentar a vida de prateleira por vários meses pela destruição de microrganismos deteriorantes (fungos e leveduras) e/ou pela inativação de enzimas. Em ambos os tipos de alimento, acontecem pequenas mudanças nas características sensoriais ou no valor nutricional. (FELLOWS. 2006, p. 251).
Garantindo a vida útil e segurança no consumo do alimento, a pasteurização ainda é um processo térmico que não causará efeitos negativos em relação a qualidade do produto final.
2.2.2 Pasteurização na Cerveja
O processo de pasteurização é um tratamento térmico que realiza-se em alimentos e bebidas, visando garantir um produto que tenha maior vida útil após sua finalização e também livre de contaminações por microrganismos.
A pasteurização visa destruir os microorganismos patogênicos não-esporulados e reduzir significativamente a microbiota banal, de modo a oferecer ao consumidor um produto seguro, com vida útil aceitável, para ser consumido em pouco tempo. Às vezes, pode-se conseguir a estabilidade microbiológica do produto, como é o caso do vinagre, em que se pretende destruir a microbiota mais termorresistente capaz de desenvolver-se em pH tão baixo. (ÓRDOÑEZ. 2005, p. 121).
Após a descoberta e entendimento do princípio do processo de pasteurização, este tratamento térmico passou por adaptações e melhoramentos tecnológicos que permite sua aplicação em diferentes formas. Dessa forma, o processo pode ser empregado de acordo com a disponibilidade de tecnologias do produtor e também respeitando as particularidades do alimento.
Existem duas modalidades de pasteurização: LTH (low temperature holding) ou pasteurização baixa: é um Sistema descontínuo, adequado quando se pretende pasteurizar volumes pequenos (100 a 500 litros). Empregam-se tempos longos (aproximadamente 30 minutos) e temperaturas baixas (62ºC a 68º); é realizada em tanques de parede dupla providos de agitador e de termômetro. Pela parede dupla circulam o fluido calefator e o refrigerador. HTST(high temprature, short time) ou pasteurização alta: esse método é realizado em sistemas de fluxo contínuo com trocadores de calor (tubulares ou de placas). Empregam-se temperaturas elevadas (72ºC a 85ºC) tempos curtos (15 a 20 segundos). (id ibid., p. 122).
A cerveja pode ser pasteurizada em diferentes faixas de temperatura e em intervalos de tempo. Essa variação está relacionada em como o processo será realizado, se será já com a bebida engarrafada ou se o procedimento será realizado antes do envase.
A pasteurização na cerveja deve ser na faixa de temperatura de 65-68ºC, por 20 min na garrafa, ou passar pela temperatura de 72-74ºC, entre 1 e 4 minutos, em 1 atmosfera de pressão. Sendo o principal objetivo de tal procedimento, a destruição dos micro-organismos deterioradores, que são: leveduras e bactérias ácido-lácticas. (FORSYTHE. 2013, p. 163).
Além das variáveis tempo e temperatura de pasteurização, outro ponto importante é em que equipamento o procedimento será realizado. Dentre os equipamentos em que pode-se realizar a pasteurização podemos citar trocadores de calor em túnel, quando a cerveja já está acondicionada em suas embalagens, ou ainda trocadores de calor de tubo ou placas, nestes últimos, para quando o líquido será pasteurizado antes do envase.
A pasteurização da cerveja confere estabilidade biológica à bebida, mediante a destruição de microrganismos pelo calor. Podem ser utilizados dois métodos de pasteurização, por trocadores de calor ou em túnel. Na pasteurização por trocadores de a placas, a cerveja é pasteurizada antes do acondicionamento na garrafa, na lata, ou no barril. Nesse método a cerveja é rapidamente aquecida a 75ºC e mantida nessa temperatura por cerca de 20s, sendo posteriormente resfriada e acondicionadas em embalagens esterilizadas. Já na pasteurização em túnel, a cerveja é primeiramente acondicionada na garrafa ou lata, e depois pasteurizada. As embalagens recebem calor mediante aspersão de água quente e a temperatura lentamente se eleva para 60-65ºC. Esta temperatura é mantida por cerca de 20 minutos e, em seguida, a cerveja é lentamente resfriada para 30ºC por meio de aspersão de água fria. (OETTERER. 2006, p. 85).
Apesar da cerveja ser composta em sua maior parte por água, cereais maltados e fermentada pela ação de leveduras, parte da vida existente neste líquido é de bactérias lácticas,
que através de sua atuação, podem prejudicar na qualidade final da bebida. Portanto, este é um exemplo de onde a pasteurização irá agir no processo produtivo da cerveja.
A cerveja não apresenta muitos problemas com contaminação microbiológica. As maiores contaminantes da cerveja são as bactérias lácticas (Pediococcus, Lactobacillus, etc). O pH da cerveja é em torno de 4,0, o que já restringe a contaminação microbiana. Porém as bactérias lácticas vivem em condições muito semelhantes às leveduras, por isso, é muito comum ocorrer contaminação por este grupo de bactérias. Além disso, a fermentação é realizada à baixas temperaturas. A presença de bactérias lácticas na cerveja, provoca turvação. Stabilização [sic] da espuma, fazendo-a escorrer. A descoberta do processo de pasteurização e adição do lúpulo trouxeram muitos avanços tecnológicos, proporcionando maior vida de prateleira, o que possibilitou a comercialização da cerveja para diversos lugares do mundo. (REBELLO. 2009, p.150).
Visto que a pasteurização é necessária para a obtenção de produtos seguros sanitariamente falando, e também com um período de vida útil maior, a indústria cervejeira precisa seguir em constante modernização para conseguir equipamentos cada vez mais eficientes, e que de alguma forma também não tornem o processo mais caro.
“Como resultado da crescente competitividade do mercado, tanto para a redução de custos como para a introdução de novos produtos, os cervejeiros estão constantemente buscando inovações tecnológicas para seus processos.” (REBELLO. 2009, p.150).
Algo que deverá ser observado para uma maior eficiência do processo produtivo é avaliar a escolha dos equipamentos que farão parte da cervejaria. Isto inclui trocadores de calor que realizarão o tratamento térmico da cerveja através da pasteurização.
Os trocadores de calor de superfície raspada ou vasos encamisados abertos são utilizados para a pasteurização em batelada de alguns alimentos líquidos em pequena escala. No entanto, a pasteurização em larga escala de líquidos com baixa viscosidade (p. ex., leite, produtos lácteos, sucos de fruta, ovo líquido, cervejas e vinhos) geralmente emprega trocadores de calor de placas. (FELLOWS. 2006, p. 253). Com toda a tecnologia disposta atualmente na indústria, escolher um equipamento não é tarefa simples. Deve-se avaliar todos os parâmetros possíveis, para que evitem-se problemas futuros, seja em relação ao desempenho do equipamento (custos de manutenção, por exemplo) ou qualidade do produto final.
2.2.3 A cerveja não pasteurizada
Já foi citado anteriormente a importância dos cuidados com o processo produtivo empregado, desde a escolha da matéria-prima, até outros detalhes para a garantia de um produto com a melhor qualidade possível. Sendo que, a pasteurização tem ligação direta com alguns dos defeitos que poderão ser percebidos no produto final.
“A cerveja pode apresentar alguns defeitos os quais são atribuídos a falhas no processamento e/ou à escolha inadequada da matéria-prima.” (OETTERER. 2006, p. 87).
Portanto, deve-se sempre atentar-se o máximo possível aos detalhes da elaboração da cerveja, para que não apresente-se defeitos no produto final.
2.2.3.1 Turbidez
A cerveja é uma bebida que deve possuir algumas características durante sua avaliação organoléptica, que comprovem sua qualidade. O aspecto visual da cerveja é muito importante, o consumidor procura uma bebida cristalina, límpida e que não seja turva por exemplo.
Uma cerveja pode tornar-se turva devido a dois fatores principais: crescimento de microrganismos e coagulação de colóides. No primeiro caso, o crescimento de bactérias ou leveduras pode ocorrer em cerveja não pasteurizada armazenada de forma inadequada, por exemplo, sem refrigeração. Em cerveja pasteurizada esse problema é praticamente inexistente. Vários tipos de colóides e carboidratos também pode turvar a cerveja, porém, a principal causa de turbidez na cerveja é o complexo coloidal proteína-tanino. (OETTERER. 2006, p. 87).
Dessa forma, a pasteurização pode auxiliar evitando que o defeito da turbidez seja visualizado no produto final.
2.2.3.2 Sulfuroso e Levedura
Além dos aspectos visuais, durante uma avaliação organoléptica qualitativa, os aspectos aromáticos são extremamente importantes na apresentação da cerveja. E mais uma vez a pasteurização também possui influência na garantia de qualidade do produto em relação a este tipo de defeito.
O odor sulforoso ou de levedura forma-se durante a fermentação, e é eliminado posteriormente na clarificação, na filtração e na pasteurização da cerveja. Esse flavor de pão que pode surgir na cerveja acabada principalmente do tipo de antioxidante empregado na bebida e da exposição da cerveja à luz. (id ibid., p. 90).
A pasteurização sozinha não é a responsável pelo surgimento ou não deste defeito, no entanto, faz parte do conjunto de medidas que pode evitá-lo.
2.2.4 Acondicionamento Pós Pasteurização
O processo de pasteurização possui por objetivo principal fornecer uma bebida segura ao consumo, livre de contaminações. Dessa forma, após a cerveja ser pasteurizada esta deve ser mantida em condições ideais que evitem riscos de deterioração.
O alimento pasteurizado é embalado em caixas ou garrafas e selado para evitar contaminação. Podem acontecer níveis significantes de deterioração e riscos de contaminação por microrganismos patogênicos por meio da contaminação pós-pasteurização, particularmente quando o alimento não é reaquecido antes de ser consumido, sendo, por isso, necessário ter grandes cuidados com a limpeza e a higiene. Além disso os produtos devem ser estocados em temperaturas de refrigeração até serem consumidos. (FELLOWS. 2006, p 257).
É indicado que a bebida após ser pasteurizada receba também alguns cuidados, como o envase em recipientes limpos, e depois de tal procedimento não sofra grandes variações bruscas de temperatura, sendo preferencialmente mantidas em temperaturas amenas até seu consumo.
2.3 FENÔMENOS DE TRANSPORTE
A engenharia química possui em seu objetivo base a viabilização da transformação de matérias-primas em produtos finalizados, e para tal, o estudo de diversos processos, deve ser efetivado. A ciência dos fenômenos de transporte é uma das ferramentas que permitem que o futuro engenheiro químico possa compreender e desenvolver muitos destes processos estudados.
O estudo de fenômenos de transporte tem aplicações muito importantes na Engenharia pois permite conhecer diversos assuntos, como o transporte de fluidos ao longo de canalizações a quantificação da dissipação de calor de motores, dando ao estudante uma ferramenta importante para a otimização dos processos de fabricação e produção. (WOODROW. 2003, p.1).
Grande parte dos processos estudados durante o curso de engenharia química estão ligados a Operações Unitárias, que é diretamente ligada ao conhecimento dos fenômenos de transporte.
“Na Engenharia Química os Fenômenos de Transporte constituem a base das operações unitárias, que por sua vez constituem a base da Engenharia Química.” (id ibid., p.2).
Com respeito a pasteurização, o fenômeno de transporte que é principalmente estudado durante o projeto de tal equipamento é o de transferência de calor, contudo, não deixa-se de abordar os fenômenos de transporte de fluidos também.
2.3.1 Transporte de Calor
Os fenômenos de transporte de calor, nada mais são do que a realização da transferência de energia térmica entre pontos em diferentes temperaturas.
“Transferência de calor é energia térmica em trânsito devido a uma diferença de temperatura no espaço “. (BERGMAN. 2014, p.1).
Dentre os fenômenos de transporte, o de calor é de grande importância na indústria alimentícia, pois está presente em inúmeras etapas da produção, inclusive nos tratamentos térmicos de conservação dos alimentos. Contudo, o transporte de calor pode ser realizado de diferentes maneiras, dentre elas estão a radiação, condução e convecção, onde cada uma possui um princípio de transferência do calor.
A maioria das operações unitárias no processamento de alimentos envolve a transferência de calor do alimento ou para ele. Existem três formas nas quais o calor pode ser transferido: por radiação, por condução e por convecção. A radiação é a transferência de calor por ondas eletromagnética, por exemplo, um grill elétrico. A condução é o movimento de calor pela transferência direta de energia molecular dentro dos sólidos. A convecção é a transferência de calor por grupos de moléculas que se movem como resultado de diferenças na densidade ou como resultado de agitação. Na maioria das aplicações, os três tipos de transferência ocorrem simultaneamente, mas um tipo pode ser mais importante que os demais em algumas aplicações. (FELLOWS. 2006, p. 41).
Uma das maneiras de ocorrer a transferência de calor, que nada mais é do que calor em movimento, é através da condução. Esse mecanismo de transferência ocorre na maior parte em corpos sólidos. O mecanismo de transferência que chama-se convecção acontece quando o calor está em movimento entre corpos sólidos e gasosos. Ainda outra maneira de transferência calor, é através da radiação térmica, quando temos dois corpos distantes entre si.
O calor é definido como energia térmica em movimento. Assim, a transferência de calor é transferência de energia térmica. Quando essa transferência acontece em nível molecular, é denominada condução de calor e ocorre principalmente nos corpos sólidos. Esse mecanismo é estudado por analogia com a transmissão de quantidade de movimento em meios contínuos. A transmissão de calor entre um corpo sólido e um corpo gasoso envolve a movimentação do fluido e é denominada transferência de calor por convecção. Os mecanismos de transporte por convecção são estudados por métodos experimentais e por analogia com a transmissão de quantidade de movimento em meios contínuos. Outra forma de transmissão de calor, muito importante, mas de natureza diferente, é a radiação térmica, que ocorre entre dois corpos distantes entre si, mesmo que o meio entre eles seja o vácuo. (WOODROW. 2003, p.67).
No entanto, a transferência de calor não é apenas complexa em relação a maneira em como o calor é colocado em movimento, mas também se isto ocorre de maneira constante ou não em relação ao tempo. Dessa forma, a transferência de calor pode ocorrer de maneira estacionária, quando não há variação de temperatura entre dois pontos, ou de maneira transiente, caso onde existe variação.
A transferência de calor estacionária ocorre quando existe uma temperatura constante entre dois materiais. A quantidade de calor entrando em um material é igual a quantidade de calor saindo, e não há mudança de temperatura do material. Isso acontece, por exemplo, quando o calor é transferido através das paredes de uma câmara fria, se a temperatura da câmara e do ambiente são constantes, e em processos contínuos, após a estabilização das condições de operação. No entanto, na maioria das aplicações de processamento de alimentos, a temperatura do alimento e/ou do meio de aquecimento ou resfriamento mudando constantemente, e a transferência de calor não-estacionária é a mais frequente. Os cálculos da transferência de calor sob essas condições são extremamente complicados, mas são simplificados por uma série de considerações e pelo uso de tabelas e modelos computacionais para alcançar soluções aproximadas. (FELLOWS. 2006, p. 42).
A transferência, ou o transporte de calor além de ser classificado como estacionário ou não, também é diferenciado considerando a forma de realização da transferência da energia térmica.
2.3.1.1 Transporte de Calor por Condução
A transferência de energia térmica através do fenômeno de condução, trata-se do transporte do calor sendo conduzido de partículas mais energéticas para as com menos energia. Na menção da palavra condução, devemos imediatamente visualizar conceitos das atividades atômicas e moleculares, pois são processos nesses níveis que mantêm este modo de transferência de calor. A condução pode ser vista como a transferência de energia das partículas mais energéticas para as menos energéticas de uma substância devido às interações entre partículas. (BERGMAN. 2014, p.1).
Fourier, através de dados experimentais quantificou a quantidade de transferência de calor através da condução, ligando este fenômeno as semelhanças existentes com o fenômeno de transferência de quantidade de movimento.
“A transferência de calor por condução apresenta uma analogia perfeita com a transferência de quantidade de movimento e foi estudada por Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830), que a quantificou a partir de dados experimentais. “(WOODROW. 2003, p.67).
Para que ocorra a condução é necessário a existência de um gradiente de temperatura, ou seja, a existência da diferença de temperaturas entre um ponto e outro, sendo que quando a temperatura entre os dois pontos medidos sejam a mesma, estas encontram-se em
situação de equilíbrio. Quando o equilíbrio é atingido, diz-se que tem-se o perfil de temperaturas daquele fenômeno.
Considere uma parede infinita de material sólido e espessura h, inicialmente a uma temperatura uniforme To. Se num instante to a temperatura de uma das faces é elevada instantaneamente à temperatura T1 e mantida constante enquanto a da outra face permanece constante no valor To, inicia-se o transporte de calor da face quente para a face mais fria, até que seja atingida situação de equilíbrio, isto é, obtém-se um perfil de temperaturas que não se modifica mais com o tempo. (id ibid., p.67).
Observando o fenômeno de transporte de calor através da condução, Fourier realizou uma afirmação sobre a transmissão de calor por condução.
Considerando a evidência experimental, com a temperatura adquirindo um perfil linear ao longo da espessura da parede, Fourier estabeleceu a lei que afirma que “a taxa de transmissão de calor por condução é proporcional ao gradiente de temperatura”. “(WOODROW. 2003, p.67).
Então, soube-se que a taxa de transferência de calor é diretamente ligada à diferença de temperatura entre quem fornece o calor até o ponto onde este calor é recebido. Além desse fator, o que influência também na taxa de transferência é uma propriedade relacionada ao material em que o fenômeno está ocorrendo, a condutividade térmica.
A taxa de calor transferida por condução é determinada pela diferença de temperatura entre o alimento e o meio de aquecimento ou resfriamento e a resistência total à transferência de calor. A resistência à transferência de calor é expressa como a conduntância do material ou, mais comumente, como sua recíproca, que é denominada de condutividade térmica. (FELLOWS. 2006, p 42).
Viu-se anteriormente que a condução é um fenômeno de transferência de calor que está relacionado à condução do calor em níveis moleculares, e é muito comum em sólidos, principalmente os metálicos (onde encontram-se arranjos de moléculas muito próximas umas das outras). Em alimentos, a condutividade térmica é menor que nos metais, no entanto, não limita a transferência de calor.
Sob condições estacionárias, a taxa de transferência de calor é calculada utilizando: 𝑄 = 𝑘𝐴(𝜃1− 𝜃2)𝑥 ; Onde Q (J.s-1) = taxa de transferência de calor, k (J.m-1. s1. K-1 ou W .m-1. K-1) = condutividade térmica, A (m-2) = área superficial, (𝜃1 − 𝜃2) (ºC ou K) = diferença de temperatura e x (m) = espessura do material. A razão (𝜃1 − 𝜃2)/𝑥 também é conhecida como gradiente de temperatura. (id ibid., p 42).
A taxa de transferência é parte efetiva durante os cálculos para o dimensionamento de um equipamento que realize a troca de calor, pois esta equação é fundamental para que realize-se o balanço de energia do processo e também influência na decisão do balanço do material.
Ainda quando fala-se da transferência de calor na indústria de alimentos e bebidas, é importante pensar em quais materiais o alimento estará em contato durante estes processos, pois reações químicas e transformações físicas indesejadas podem ocorrer entre alimento/material.
Apesar de, por exemplo, o aço inoxidável conduzir 10 vezes menos calor que o alumínio, a diferença é pequena comparada com a baixa condutividade térmica dos alimentos (20 a 30 vezes menor que a do aço) e não limita a taxa de transferência de calor. O aço inoxidável é muito menos reativo que qualquer outro metal, particularmente em relação a alimentos ácidos, e é, por essa razão, usado na maioria dos equipamentos de processamento que entram em contato com o alimento. (id ibid., p.42).
Os alimentos possuem particularidades em relação a sua condutividade térmica que estão relacionados a diversos fatores de sua natureza e também do meio em que se encontra.
A condutividade térmica dos alimentos é influenciada por uma série de fatores relacionados com a natureza do alimento (p. ex., estrutura da célula, quantidade de ar preso as células e teor de umidade) e com a temperatura e pressão do ambiente. A redução do teor de umidade causa uma diminuição substancial na condutividade térmica, o que tem implicações importantes nas operações unitárias envolvendo a condução de calor pelo alimento para a remoção de água. (FELLOWS. 2006, p 42). Contudo, nem sempre os processos de transferência de calor por condução ocorrem de maneira estacionária. Quando temos alguma variação, da taxa de aquecimento, em relação a sua posição, quando a temperatura tem mudanças constantes, diz-se que este processo não é estacionário.
Em um processo de condução não-estacionária, durante o processamento, a temperatura em um determinado ponto do alimento depende da taxa de aquecimento ou resfriamento e da posição do alimento. Portanto, a temperatura altera-se continuamente. Os fatores que influenciam as mudanças de temperatura são: - a temperatura do meio de aquecimento; - a condutividade térmica do alimento; e - o calor específico do alimento. (id ibid., p.43).
Assim, em processos alimentícios, os processos de transferência de calor não estacionário, onde ocorre mudanças de temperatura de forma contínua, para que ocorra de maneira efetiva, deve-se conhecer as particularidades do alimento em que o fenômeno acontecerá, além de claro, como manipular as temperaturas na operação dos equipamentos que promovam as trocas de calor.
2.3.1.2 Transporte de Calor por Convecção
O fenômeno de transferência de calor por convecção acontece por associação de dois mecanismos, onde a transferência de calor acontece por difusão e também através do movimento global de um fluído.
O modo de transferência de calor por convecção abrange dois mecanismos. Além de transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório (difusão), a energia também é transferida através do movimento global, ou macroscópico, do fluido. Esse movimento do fluido está associado ao fato de que, em um instante qualquer, um grande número de moléculas está se movendo coletivamente ou como agregados. Tal movimento, na presença de um gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor. Como as moléculas nos agregados mantêm seus movimentos aleatórios, a transferência total de calor é, então, devida à superposição do transporte de energia pelo movimento aleatório das moléculas com o transporte devido ao movimento global do fluido. O termo convecção é costumeiramente usado para fazer referência a esse transporte cumulativo e o termo advecção se refere ao transporte devido ao movimento global do fluido. (BERGMAN. 2014, p.1).
Um outro aspecto que diferencia a condução de calor em relação ao fenômeno de convecção, deve-se à movimentação do fluido aquecido junto à uma superfície, movimentação responsável por levar o calor aos outros pontos que façam continuar o mecanismo de troca de calor. Assim, pela causa do movimento do fluido transportando calor é que denomina-se o processo de convectivo ou advectivo.
O transporte de calor por convecção, ou simplesmente convecção de calor, é o fenômeno de troca de calor entre um limite sólido e um fluido. Diferentemente da condução do calor, a convecção ocorre principalmente em decorrência da movimentação do fluido aquecido junto a parede, que se movimenta levando o calor para o seio do fluido, enquanto a nova parcela de fluido é levada junto a parede para continuar o mecanismo de calor. Em razão do movimento do fluido, que transporta o calor, o processo é denominado convectivo ou advectivo. (WOODROW. 2003, p.69). Newton estudou a convecção de calor, e durante este estudo introduziu uma constante que é denominada, coeficiente de troca de calor por convecção, ou coeficiente de película. Estes coeficientes representam que o transporte de calor segue uma linha, um gradiente, diretamente proporcional as diferenças de temperatura entre os pontos que o calor está sendo transferido.
A convecção de calor foi estudada por Newton, que estabeleceu uma lei básica para descrevê-la, afirmando que o fluxo de calor transportado por convecção é diretamente proporcional à diferença de temperaturas entre sólido e o fluido longe da parede. Newton introduziu uma constante de proporcionalidade denominada coeficiente de troca de calor por convecção ou coeficiente de película. (WOODROW. 2003, p.70).
A convecção, no entanto, pode ocorrer de maneira natural ou forçada. A convecção natural geralmente apresenta coeficientes de películas mais baixos, e o processo de troca de calor acontece induzida por empuxo pelas diferenças de temperatura entre pontos do fluido.
Quando líquidos ou gases são usados como meio de aquecimento ou resfriamento, a taxa de transferência de calor do fluido para a superfície do alimento é encontrada utilizando: 𝑄 = ℎ𝑠 𝐴 (𝜃𝑏 − 𝜃𝑠); Onde Q (J.s-1) = taxa de transferência de calor, A (m-2) = área superficial, 𝜃𝑠 (K) = temperatura da superfície, 𝜃𝑏 (K) = temperatura no seio do fluido e ℎ𝑠 (W .m-2. K-1) = coeficiente de transferência de calor da superfície (ou filme). (FELLOWS. 2006, p. 44).
O coeficiente de troca térmica além de ter relação com diferença de temperatura entre os pontos do fluido, propriedades físicas e também de movimento do fluido também estão relacionados ao coeficiente de troca térmica superficial.
O coeficiente de troca térmica superficial está relacionado com as propriedades físicas de um fluido (p. ex., densidade, viscosidade, calor específico), a gravidade (que causa a circulação devido as mudanças de densidade), o gradiente de temperatura e o comprimento ou diâmetro do recipiente sob investigação. As fórmulas que relacionam esses fatores são expressas como números adimensionais da seguinte forma: Número de Nusselt 𝑁𝑢 = ℎ𝑐𝐷 𝑘 ; Número de Prandtl 𝑃𝑟 = 𝑐𝑝𝜇 𝑘 ; Número de Grashof 𝐺𝑟 = 𝐷3𝜌²𝑔𝛽∆𝜃 𝜇² ; Onde ℎ𝑐 (W .m
-2. K-1) = coeficiente de transferência de calor por convecção na interface sólido líquido, D (m) = dimensão característica (comprimento ou diâmetro), k (J.m-1. s1. K-1 ou W .m-1. K-1) = condutividade térmica do fluido, 𝑐𝑝 (J kg-1K-1) = calor específico a pressão constante, 𝜌 (kg.m-3) = densidade, µ (N s m-2) = viscosidade, g (m s-2) = aceleração da gravidade, β (m m-1K-1) = coeficiente de expansibilidade térmica, Δθ (K) = diferença de temperatura e υ (m s-1) = velocidade. (FELLOWS. 2006, p. 45).
Esses números que servem no auxílio para determinação e relacionam o coeficiente de troca térmica superficial com suas propriedades, também estão ligados ao regime em que acontece o fluxo do fluido.
Para o fluxo laminar através dos canos, Nusselt 𝑁𝑢 = 1,62 (𝑅𝑒 𝑃𝑟𝐷𝐿)0,33 ; Onde L (m) = comprimento do cano, quando Re Pr D/L > 120 e todas as propriedades físicas são medidas na temperatura média da massa do fluido. E para o fluxo turbulento através de canos, Nusselt 𝑁𝑢 = 0,023 (𝑅𝑒)0,33(Pr)n; Onde n = 0,4 para aquecimento ou n = 0,3 para resfriamento. Quando Re > 10000, a viscosidade é medida na temperatura média do filme e as outras propriedades são medidas na temperatura média da massa de fluido. (id ibid., p.45).
Quando fala-se em convecção forçada esta força de empuxo é fornecida por um equipamento, como ventiladores, por exemplo. Dessa forma, a convecção forçada, onde a velocidade do fluido pode ser maior, aumenta-se também seu coeficiente de película.
A convecção natural é um processo de troca convectiva do calor no qual o movimento do fluido é induzido peço empuxo causado por diferenças de temperatura entre pontos do fluido e, em razão da baixa velocidade do fluido, apresenta coeficientes de película menores. A convecção forçada ocorre quando o movimento do fluido é provocado por
fatores externos ao processo, como, por exemplo, o uso de um ventilador para movimentar o ar, como ocorre nos processadores de microcomputadores, em que um pequeno ventilador (ventoinha) sopra continuamente para retirar o calor do processador, mantendo-o em temperatura adequada a seu funcionamento. Aqui, como as velocidades são mais altas, os coeficientes de película são maiores que o da convecção natural, chegando a valores superiores a 10 vezes. (WOODROW. 2003, p.71).
Além de ser caracterizada pelo uso de um equipamento que auxilie no aumento da velocidade do fluido, uma outra característica que faz com que os coeficientes de película na convecção forçada sejam maiores, se dá pela causa que o aumento da velocidade implica no fluido, tornando a espessura da película limite menor, aumentando a transferência de calor.
Quando um fluido tem sua temperatura alterada, as modificações resultantes na densidade estabelecem correntes naturais de convecção. A convecção forçada acontece quando um misturador ou ventilador é utilizado para agitar o fluido. Isso reduz a espessura do filme limite para produzir as taxas mais altas de transferência de calor e uma redistribuição mais rápida da temperatura. Consequentemente, a convecção forçada é mais comumente empregada que a convecção natural no processamento de alimentos, tendo como exemplos misturadores, secadores de leito fluidizado, congeladores com jato de ar e líquidos bombeados através de trocadores de calor. (FELLOWS .2006, p. 44).
Na indústria de processamento de alimentos, os equipamentos responsáveis pelo tratamento térmico, como trocadores de calor, a convecção forçada é mais empregada que a convecção natural.
2.4 TROCADORES DE CALOR
As aplicações dos fenômenos de transporte de calor podem ser encontradas em diversos equipamentos vistos em diversas áreas, seja da indústria como também em nossas residências.
O processo de troca de calor entre dois fluidos que estão a diferentes temperaturas e se encontram separados por uma parede sólida ocorre em muitas aplicações de engenharia. O equipamento usado para implementar essa troca é conhecido por trocador de calor, e suas aplicações específicas podem ser encontradas no aquecimento de ambientes e no condicionamento de ar, na produção de potência, na recuperação de calor em processos e no processamento químico. (BERGMAN. 2014, p.1).
Um destes equipamentos é o trocador de calor, que possui por objetivo trocar calor entre fluidos que encontram-se em diferentes temperaturas e separados por uma interface sólida. Os fluidos podem circular em sentido paralelos ou opostos, sendo que tal escolha pode ser determinante na eficiência do processo.
