Operações Unitárias II - Profa Angélica Olivier Bernardi

OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA Profa Angélica Olivier Bernardi OPERAÇÕES UNITÁRIAS II MaríliaSP 2023 A Faculdade Católica Paulista tem por missão exercer uma ação integrada de suas atividades educacionais visando à geração sistematização e disseminação do conhecimento para formar profissionais empreendedores que promovam a transformação e o desenvolvimento social econômico e cultural da comunidade em que está inserida Missão da Faculdade Católica Paulista Av Cristo Rei 305 Banzato CEP 17515200 Marília São Paulo wwwucaedubr Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida por qualquer meio ou forma sem autorização Todos os gráficos tabelas e elementos são creditados à autoria salvo quando indicada a referência sendo de inteira responsabilidade da autoria a emissão de conceitos Diretor Geral Valdir Carrenho Junior OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 5 SUMÁRIO CAPÍTULO 01 CAPÍTULO 02 CAPÍTULO 03 CAPÍTULO 04 CAPÍTULO 05 CAPÍTULO 06 CAPÍTULO 07 CAPÍTULO 08 CAPÍTULO 09 08 11 15 21 28 33 40 47 55 PROPRIEDADES TÉRMICAS DOS ALIMENTOS ENERGIA TÉRMICA E TEMPERATURA PRINCÍPIOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR APLICADA AOS ALIMENTOS TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO PRINCÍPIOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR APLICADA AOS ALIMENTOS TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO PRINCÍPIOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR APLICADA AOS ALIMENTOS COEFICIENTE GLOBAL DE TROCA TÉRMICA E TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ESTADO NÃO ESTACIONÁRIO PRINCIPAIS TIPOS DE TROCADOR DE CALOR NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS TROCADOR DE CALOR DE DUPLO TUBO E TROCADOR DE CALOR DE SUPERFÍCIE RASPADA PRINCIPAIS TIPOS DE TROCADOR DE CALOR NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS TROCADOR DE CALOR DE CASCO E TUBOS TROCADOR DE CALOR DE PLACAS EQUAÇÃO BÁSICA DE PROJETO DE UM TROCADOR DE CALOR DIMENSIONAMENTO E CONDIÇÕES DE PROCESSO EVAPORAÇÃO OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 6 SUMÁRIO CAPÍTULO 10 CAPÍTULO 11 CAPÍTULO 12 CAPÍTULO 13 CAPÍTULO 14 CAPÍTULO 15 60 67 75 88 99 114 EVAPORAÇÃO EM MÚLTIPLOS EFEITOS SECAGEM TRATAMENTO TÉRMICO DE ALIMENTOS CONSERVAÇÃO DE ALIMENTOS PELO USO DO CALOR TRATAMENTO TÉRMICO POR ESTERILIZAÇÃO TRATAMENTO TÉRMICO DE ALIMENTOS TRATAMENTO TÉRMICO EM PRODUTOS ENLATADOS REFRIGERAÇÃO CONGELAMENTO OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 7 INTRODUÇÃO Olá estudante Este é o material que acompanhará seus estudos ao longo da disciplina de Políticas e Projetos de Educação Ambiental Espero que com ele você reconheça a relevância do tema para a educação básica e para a sociedade como um todo Para orientar os estudos e OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 8 CAPÍTULO 1 PROPRIEDADES TÉRMICAS DOS ALIMENTOS ENERGIA TÉRMICA E TEMPERATURA A temperatura de um material seja ele um solido liquido ou gasoso está diretamente ligada à energia termica armazenada no movimento aleatorio de suas moleculas átomos e eletrons Quanto maior for a agitação dessas particulas mais alta será a temperatura do material ANOTE ISSO O conhecimento de propriedades físicas e térmicas de alimentos é essencial para o projeto de processos e de equipamentos na área de alimentos congelados Só é possível determinar requisitos de refrigeração e tempos de congelamento se houver informações quantitativas disponíveis sobre as propriedades de alimentos Consideráveis esforços de pesquisa têm sido realizados para medir e modelar as propriedades de alimentos sob diversas condições de processo 11 Energia termica e temperatura Para se conhecer a relação entre a energia térmica armazenada em um material e a sua temperatura estudos em laboratorio sobre o seu aquecimento ou resfriamento devem ser conduzidos A quantidade de energia necessária para aumentar ou diminuir em 10 K a temperatura de uma unidade de massa do material a pressão constante e sem que ocorram mudanças de fase ou reações quimicas e denominada calor especifico a pressão constante CP Jkg1K1 Caso o experimento seja feito mantendo fixo o volume do material o resultado será o calor especifico a volume constante CV Jkg1 K1 propriedade relevante para gases Os materiais têm diferentes capacidades de armazenamento de energia térmica por unidade de massa Na Figura 11 alguns materiais e substâncias comuns são ordenados em relação ao valor de CP Podese notar que não há uma relação direta OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 9 entre CP e o estado físico do material Veja que a água líquida tem alta capacidade calorifica consequentemente alimentos com grande conteúdo de água têm altas capacidades calorificas banana e maçã no exemplo da Figura 11 têm 75 de água Figura 1 Calor especifico a pressao constante CP de algumas substancias e materiais comuns a 300 K exceto H2OS a 273 K e H2OG a 373 K S solido L liquido G gas Fonte Tadini 2018 p 426 12 Formas de transferência de energia termica Em qualquer material a interação entre particulas vizinhas provoca a dispersão da energia termica de modo que a energia difunde espontaneamente da região de maior temperatura para a de menor temperatura O transporte de energia térmica por meio da interação entre partículas vizinhas e chamado de condução Em materiais solidos essa e a forma predominante de transferência Quando se trata de um metal o movimento dos eletrons livres contribui com esse fenômeno intensificandoo Por isso os metais são otimos condutores de calor Se o material for um liquido ou um gás o movimento de escoamento do fluido tambem contribui para a dispersão da energia pois promove a mistura O transporte de energia pela combinação entre condução e escoamento advecção e conhecido como convecção Você pode sentila quando começa repentinamente a ventar e sua pele perde mais energia para o ambiente provocando a sensação de frio A energia também pode ser transportada na forma de radiação eletromagnética Os eletrons de um átomo tendem a preencher as camadas de menor energia mas a transição entre níveis é comum e sua ocorrência está diretamente relacionada com a temperatura Nesses saltos quânticos os eletrons podem liberar energia radiante Os materiais a temperatura ambiente ao nosso redor estão constantemente emitindo energia na forma de luz infravermelha que não pode ser vista Já o Sol por estar em uma temperatura muito alta superficie a 5780 K emite radiação com maior intensidade nas formas de luz infravermelha luz visivel aquela que pode ser vista e OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 10 luz ultravioleta Quando nos expomos ao Sol podemos sentir na pele que parte da luz incidente e recebida na forma de energia termica ou seja a pele esquenta 13 Calor taxa de calor e fluxo de calor Definese como calor Q J certa quantidade de energia termica transferida de uma região a outra A taxa de transferência de calor Js1 W representa a velocidade com que essa transferência de energia ocorre Dividindo a taxa de calor pela área perpendicular à direção do transporte área atravessada pelo calor temos o fluxo de calor A W m2 No Exemplo 11 a diferença entre calor taxa de calor e fluxo de calor pode ser mais bem entendida Exemplo 11 Considere uma panela com 20 kg de água a 25 C A base da panela tem diâmetro de 12 cm e está sobre a chama do fogão que fornece calor a uma taxa média de transferência 700 W Considere para a água um valor medio de CP de 420 kJ kg1 K1 e despreze o calor para aquecer o metal da panela Calcular i o calor necessário para a água atingir 100 C ii o tempo necessário para isso acontecer iii o fluxo de calor medio na base da panela Soluçao i a quantidade de energia calor Q necessária para a água passar de 25 C a 100 C e calculada empregando a Equação abaixo lembrando que a variação de temperatura e a mesma em K ou em C Q mCpΔT 20 420 10025 kg kJkg1 K1 K 630 kJ ii se a chama fornece 700 J s1 então o tempo para aquecer a água pode ser calculado iii o calor fornecido pela chama atravessa a base circular da panela para chegar à água portanto o fluxo de calor na base da panela e Respostas i o calor necessário para aquecer a água e de 630 kJ ii o tempo necessário e de 15 min e iii o fluxo de calor na base da panela e de 619 kWm2 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 11 CAPÍTULO 2 PRINCÍPIOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR APLICADA AOS ALIMENTOS TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO 21 Lei de Fourier Um experimento simples para estudar a transferência de energia térmica por condução e aquecer uniformemente a extremidade de um solido de modo que a energia termica o atravesse em uma única direção e saia pela superficie oposta continuamente como ilustrado na Figura 21 Figura 21 Transferência de calor por conducão atraves de uma parede plana Fonte Tadini 2018 p 428 Observando esse fenômeno o francês Joseph Fourier 1768 1830 constatou que o fluxo de calor que atravessa uma parede plana no estado estacionário é diretamente OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 12 proporcional à diferença de temperatura entre as superficies quente e fria e inversamente proporcional à espessura da parede Com base nessas observações Fourier propôs a seguinte correlação para o fluxo de calor por condução através de uma parede plana na direção x Equação 21 A taxa de calor fica então Equação 22 em que xAx é o fluxo de calor na direção x W m2 x é a taxa de calor na direção x W Ax e a área transversal à transferência de calor na direção x m2 ΔT e a diferença de temperatura medida na direção x K ou C Δx é a espessura da parede m e k é uma constante de proporcionalidade W m1 K1 O sinal negativo nessas duas equações está de acordo com o sentido da transferência de calor Se ΔT for positivo T2 T1 isso significa que a temperatura está aumentando com x portanto o calor deve seguir no sentido oposto da região quente para a fria e como resultado obtémse valor negativo para x Considerando uma parede de espessura infinitesimal x obtem se a seguinte relação diferencial conhecida como Lei de Fourier Equação 23 22 Condutividade termica A constante de proporcionalidade na Lei de Fourier k W m1 K1 e chamada condutividade termica Como a condutividade e uma caracteristica do material ela deve ser determinada experimentalmente repetindo o experimento ilustrado na Figura 21 Alem da composição do material a sua temperatura media tambem influi na condutividade termica Na determinação de k para um liquido L ou gás G este deve ser mantido entre placas metálicas horizontais muito proximas para evitar que o movimento de mistura no fluido advecção interfira na medida da condutividade Quanto maior for a distância entre átomos e moleculas no material menor será sua condutividade termica pois o menor contato entre as particulas dificulta o transporte de energia termica Essa tendência pode ser constatada na Figura 22 que mostra as faixas de condutividade termica de diferentes tipos de materiais Dentre os solidos OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 13 os metais têm maiores condutividades graças aos elétrons livres que colaboram com a difusão de energia térmica Os sistemas de isolamento térmico são normalmente matrizes porosas contendo ar espumas e fibras e portanto apresentam valores de k proximos aos dos gases Figura 22 Faixas de condutividade termica k de diversos materiais a temperatura e pressao normais Fonte Tadini 2018 p 429 As propriedades termofísicas de maior importância para a engenharia são a densidade o calor especifico e a condutividade termica Valores de referência podem ser encontrados na literatura para diversos materiais de interesse industrial Green e Perry 2007 Haynes 2010 23 Difusividade termica A razão entre a capacidade de conduzir e de acumular energia termica e quantificada pela propriedade difusividade termica definida pela Equação 24 Equação 24 em que α e a difusividade termica m2 s1 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 14 A difusividade térmica indica a velocidade com que um material responde a mudanças de temperatura em sua vizinhança O aluminio por exemplo tem alta difusividade termica α 97 106 m2 s1 e e um material que responde rapidamente a variações de temperatura Note como uma frigideira quente esfria rapidamente em contato com a água ou mesmo com o ar Já uma maçã que e um material com baixa difusividade termica α 017 106 m2 s1 demora a esfriar no recheio de uma torta quente por mais que assopremos ANOTE ISSO A capacidade calorífica é usualmente determinada por métodos calorimétricos Contudo tais métodos são mais úteis para o caso em que a mudança de fase ocorre a temperatura constante Durante o congelamento de alimentos a mudança de fase ocorre num intervalo de temperaturas o que resulta numa aplicação limitada dos métodos calorimétricos Um procedimento alternativo envolve a determinação experimental das entalpias de alimentos numa faixa de temperaturas e em seguida o cálculo da capacidade calorífica aparentea partir desses dados 24 Obtencão de propriedades termofísicas de alimentos O conhecimento das propriedades termofisicas do alimento densidade calor especifico condutividade termica e difusividade termica e fundamental para o projeto ou avaliação de operações unitárias que envolvam transferência de calor Na literatura é possível encontrar coletâneas de propriedades de alimentos como nos livros de Okos 1986 Lewis 1990 Rao et al 2005 Heldman e Lund 2006 e Rahman 2009 Como as propriedades dependem da composição e da temperatura media do alimento uma pesquisa bibliográfica e necessária para localizar dados confiáveis e adequados Uma alternativa para estimar as propriedades termofísicas de alimentos não porosos e usar o modelo geral proposto por Choi e Okos 1986 que pondera as propriedades dos principais componentes dos alimentos que são proteinas gorduras carboidratos fibras cinzas e água Para utilizar o metodo e necessário conhecer a fração mássica X de cada um desses seis componentes no alimento OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 15 CAPÍTULO 3 PRINCÍPIOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR APLICADA AOS ALIMENTOS TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO 31 Transferência de calor por conveccão ISTO ACONTECE NA PRÁTICA O que é cocção de alimentos Coccão é o processo pelo qual se aplica calor ao alimento a fim de modificar sua estrutura alterar ou acentuar seu sabor e tornálo adequado à ingestão O princípio básico da cocção é o calor que pode ser direto ou indireto A transmissão desse calor pode ocorrer por condução convecção ou radiação No caso da conveccão a transferência de calor ocorre quando moléculas gasosas ou de fluido líquido como água leite sucos ou vinho se movem de uma área mais quente para uma área mais fria A convecção pode ser natural água em ebulição no cozimento de uma batata ou artificial fornos com circulação de ar 311 Camadalimite Todos os materiais podem transferir energia pelo mecanismo de condução No caso de gases e liquidos o movimento livre das particulas provoca constante mistura e consequentemente contribui para o transporte e a dispersão da energia térmica Essa combinação de condução e escoamento advecção e chamada de convecção A convecção pode ser forçada quando o escoamento é provocado por um elemento externo ventilador bomba vento etc ou pode ser natural quando ocorre exclusivamente em razão de forças de empuxo originadas por variações de densidade dentro do material Para compreender esse fenômeno considere a superficie de um solido que troca calor com um fluido Imagine por exemplo um liquido frio escoando paralelamente a OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 16 uma fina placa quente cuja superficie e mantida a uma temperatura constante Tsup A temperatura e a velocidade axial do fluido longe da placa são T e v respectivamente Figura 31 Desenvolvimento da camada limite de velocidade sobre uma placa plana indicando a variaçao espacial da velocidade axial vx Fonte Tadini 2018 p 437 Figura 31 Desenvolvimento da camada limite de temperatura sobre uma placa plana quente indicando a variaçao espacial da temperatura Fonte Tadini 2018 p 437 Na Figura 31 e mostrado o escoamento sobre a placa no estado estacionário Pode se ver que há uma região proxima à placa onde a velocidade axial varia de zero até v Essa região é denominada camada limite de velocidade e está relacionada com o transporte de quantidade de movimento através do fluido OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 17 Já a temperatura do fluido varia de Tsup a T na região denominada camada limite de temperatura onde ocorre o transporte convectivo de energia da placa para o interior do liquido Figura 32 Note nas Figuras 31 e 32 que a espessura de ambas as camadas limite aumenta na direção x pela propagação da interferência da placa sobre o escoamento do fluido O movimento dentro da camada limite e laminar ou seja altamente ordenado Entretanto a partir de certo ponto há uma mudança nas condições de escoamento e a camada limite passa a ter turbulência interna As espessuras das duas camadas limite que não são as mesmas dependem de diversos fatores entre os quais as difusividades de quantidade de movimento e térmica do fluido 312 Lei de resfriamento de Newton O estudo da troca térmica por convecção considerando as camadas limite de velocidade e de temperatura não e uma tarefa trivial pois e preciso considerar simultaneamente os transportes de quantidade de movimento e de energia Entretanto há uma maneira simplificada para estudar esse fenômeno de forma global conhecida como lei de resfriamento de Newton Observando a troca de calor no estado estacionário entre superficies solidas e fluidos o inglês Isaac Newton 1643 1727 verificou que o fluxo de calor na superficie SAS e diretamente proporcional à diferença entre as temperaturas medias da superficie Tsup e do interior do fluido T Newton propôs então a seguinte equação para o fluxo de calor Equação 31 em que AS e a área superficial do contato solidofluido m2 e ΔT Tsup T é a diferença de temperatura potencial termico quando o solido está mais quente que o fluido e ΔT T Tsup caso contrário A constante de proporcionalidade na Equação 31 e conhecida como coeficiente de troca termica por convecção ou coeficiente convectivo h W m2 K1 Essa grandeza e tambem conhecida como coeficiente de pelicula pois ela representa a camada limite que atua como interface entre o meio solido e o meio fluido OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 18 Para determinar a taxa de transferência de calor em uma superficie normalmente considera se que o coeficiente convectivo seja uniforme sobre toda a superficie Então a taxa de transferência de calor média pode ser calculada pela Equação 32 Equação 32 Na realidade o valor de h depende da posição na superficie do solido Observe no exemplo da Figura 33 que a velocidade e a turbulência do ar escoando ao redor de uma esfera são nitidamente diferentes entre as partes anterior e posterior Entretanto para simplificar os cálculos de troca de calor e usual adotar um valor medio de h para toda a superfície O coeficiente convectivo depende de muitos fatores que têm influência sobre a camada limite como as propriedades do fluido sua velocidade de escoamento a direção do escoamento em relação à superficie a geometria da superficie sua rugosidade etc De maneira geral quanto maiores a agitação e a turbulência do fluido junto à superficie maior e o valor de h e mais intensa e a troca termica Para liquidos que apresentam alta viscosidade comuns na indústria de alimentos a agitação e necessária para promover turbulência e consequentemente aumentar o valor de h Na Tabela 31 faixas de valores típicos de h são mostrados Figura 33 Linhas de escoamento do ar sobre uma esfera solida Fonte Tadini 2018 p 438 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 19 Tabela 31 Faixas de valores tipicos do coeficiente convectivo h para ar e agua Fonte Bird et al 2004 p 230 Figura 34 Exemplos de aletas superficies estendidas para aumentar a area de troca termica solidofluido a aletas circulares sobre tubos b aletas planas sobre banco de tubos c aletas no interior de tubos Fonte Tadini 2018 p 439 Como o coeficiente convectivo de gases e normalmente baixo veja a Tabela 96 uma alternativa para melhorar a troca de calor por convecção é aumentar a área de contato com a superficie AS na Equação 32 Essa extensão da área é conseguida com o uso de aletas como as ilustradas na Figura 34 Normalmente as aletas são chapas metálicas finas paralelas ao escoamento do gás É possivel determinar o coeficiente convectivo medio por meio de experiências de troca termica em laboratorio como mostra o exemplo na Figura 35 Dentro do solido a ser estudado inserese uma resistência eletrica que fornecerá uma quantidade conhecida de energia a ser dissipada na forma de calor para um fluido em movimento com temperatura T Medese então no estado estacionário a temperatura media ao longo da superficie do solido Tsup O valor de h é então calculado pela Equação 32 Variando as caracteristicas do fluido do escoamento ou da superficie e possivel estudar como essas variáveis interferem no valor de h Analisando esses resultados são propostas equações empiricas para o cálculo do coeficiente convectivo Na literatura OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 20 estão disponíveis diversas equações para situações de interesse no processamento de alimentos como as apresentadas nos livros de Bennet e Myers 1978 Ozisik 1990 Bird et al 2004 Canedo 2010 Ibarz e Barbosa Cánovas 2003 Incropera et al 2008 e Çengel e Ghajar 2012 Figura 35 Experimento para a determinaçao do coeficiente convectivo Fonte Tadini 2018 p 439 313 Escoamento no interior de tubos circulares A dimensão característica para escoamento dentro de tubos circulares é o diâmetro interno Di e a velocidade usada para o cálculo do NRe é a velocidade média na seção transversal do tubo Para tubos de seção não circular a dimensão caracteristica e normalmente o diâmetro hidráulico definido como Dh 4AsPw em que As e Pw são respectivamente a área e o perimetro molhado da seção transversal de escoamento Processe que para um tubo de seção circular temse Dh D 314 Conveccão forcada sobre solidos No escoamento sobre corpos solidos o comprimento caracteristico e normalmente o comprimento L para placas planas e cilindros paralelos ao escoamento e o diâmetro D para esferas e cilindros perpendiculares ao escoamento A velocidade para o cálculo de NRe e a velocidade do fluido afastado do solido v OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 21 CAPÍTULO 4 PRINCÍPIOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR APLICADA AOS ALIMENTOS COEFICIENTE GLOBAL DE TROCA TÉRMICA E TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ESTADO NÃO ESTACIONÁRIO 41 Coeficiente global de troca termica 411 Resistência termica A troca termica entre dois fluidos atraves de uma parede solida e um fenômeno bastante comum em operações unitárias das indústrias quimica alimenticia e farmacêutica Para as situações em que o calor atravessa materiais diferentes no estado estacionário e possivel combinar as leis de Fourier e de resfriamento de Newton em uma única equação geral que tem a forma Equação 41 em que e a taxa de transferência de calor W e e proporcional à força motriz da troca termica representada pela diferença entre temperaturas ΔT e inversamente proporcional a uma resistência termica Rt K W1 Reescrevendo a Lei de Fourier para as diferentes geometrias e a lei de resfriamento de Newton nesse novo formato a resistência termica para diferentes situações são apresentadas na Tabela 41 A principal vantagem desse formato é a possibilidade de combinar resistências termicas em serie Para entender melhor esse conceito observe na Figura 41 o caso de um líquido quente escoando dentro de um tubo e perdendo calor para o ambiente OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 22 externo Para chegar ao ar o calor atravessa uma parede cilindrica de metal e outra de isolante térmico A energia que é transferida continuamente do cerne do líquido para o ar atravessa quatro resistências termicas que são o filme de liquido RtL a parede metálica do tubo RtM a camada de isolante termico Rtiso e o filme de ar Rtar Então a taxa de transferência de calor no estado estacionário pode ser representada das seguintes formas Equação 42 Tabela 41 Resistencia termica Rt para diferentes geometrias e meios Fonte Tadini 2018 p 445 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 23 Figura 41 Seçao transversal de um tubo isolado indicando a troca termica com o ambiente e o perfil radial de temperatura Fonte Tadini 2018 p 445 Equação 43 Na parte inferior direita da Figura 41 e mostrado o circuito termico por onde o calor e transportado Note que a taxa de calor e constante independentemente da posição radial Isso ocorre porque a energia térmica é continuamente transportada sem ser convertida em outra forma de energia ou sem ser acumulada estado estacionário Como e constante no circuito termico podese concluir pela Equação 41 que uma alta resistência térmica implica uma alta diferença de temperatura e viceversa Note na Figura 41 que a maior diferença de temperatura ocorre na camada de isolante térmico e a menor diferença ocorre na camada de metal A análise comparativa entre os valores das resistências termicas e bastante útil Quando há uma resistência termica muito superior às outras ela representa um gargalo à passagem da energia termica e passa a ser a resistência que controla a OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 24 taxa de calor Se há interesse em intensificar ou diminuir a troca termica devese dar preferência ao estudo do meio que oferece maior resistência à passagem do calor No caso apresentado na Figura 41 a resistência que controla a troca termica e a do isolante térmico Exemplo 41 Nitrogênio liquido densidade 804 kg m3 e estocado à temperatura de saturação de 196 C em um tanque esferico não pressurizado com raio interno igual a 30 cm A espessura da parede metálica e relativamente pequena comparada com o raio interno Para reduzir a perda do produto por evaporação coloca se externamente ao tanque uma camada de poliuretano expandido isolamento termico de espessura igual a 14 cm A temperatura do ar ambiente e em torno de 23 C O coeficiente de troca térmica por convecção entre o ar ambiente e a superfície externa do isolante térmico é de 20 W m2 K1 O calor latente de vaporização do nitrogênio e de 199 kJ kg1 Pedese i o volume de nitrogênio evaporado por dia ii em um dia de maior ventania esse valor aumenta muito diminui muito ou permanece praticamente inalterado Justifique sua resposta Soluçao i Considerando a troca termica entre o nitrogênio liquido estocado no tanque e o ar ambiente externo constatamse em principio quatro resistências termicas a saber 1 convecção interna da evaporação do nitrogênio liquido 2 condução pela parede metálica do tanque 3 condução pelo isolante termico e 4 convecção externa do ar ambiente Dessas podese desprezar a resistência termica 1 pois o coeficiente de troca termica quando envolve mudança de estado e muito elevado veja a Tabela 31 assim como a resistência termica 2 uma vez que a espessura da parede do tanque e pequena alem de que o valor da condutividade termica do metal de modo geral deve ser elevado Portanto devemse levar em conta as seguintes resistências termicas veja as Equações na Tabela 41 Resistência termica do isolamento a condutividade termica e de 0027 W m1 K1 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 25 Resistência termica do ar Verificase que a resistência termica do ar e muito pequena em relação à resistência do isolante termico Com isso podese calcular a taxa de calor usandose a Equação 41 Considerando que o calor transferido para dentro do tanque é consumido na evaporação do nitrogênio liquido a taxa de evaporação será de 70 W199 103 J kg1 350 104 kg s1 302 kg dia1 376 L dia1 Podese ver que a perda de produto e grande um terço do volume do tanque por dia Na prática utilizamse recipientes com duas paredes metálicas e uma camada de vácuo entre elas como em uma garrafa termica Dessa maneira a troca de calor com o ambiente e bem menor minimizando a evaporação do nitrogênio ii Em um dia de vento mais intenso temse uma convecção mais forte no lado externo do tanque portanto o valor do coeficiente convectivo de troca termica e maior Entretanto observouse pelos cálculos que a resistência termica controladora do processo e a de condução pelo isolante Logo a taxa de perda de nitrogênio por evaporação não se alterará significativamente em um dia de maior ventania Por exemplo adotando um coeficiente convectivo de 100 W m2 K1 a taxa de evaporação aumentaria para 378 L dia1 aumento de apenas 05 Essa taxa mudaria significativamente se fossem alterados o material do isolamento termico ou a sua espessura Respostas i a taxa de calor trocado e de 70 W e o volume de nitrogênio evaporado por dia e de 376 L ii em um dia de maior ventania essa perda por evaporação permanece praticamente inalterada pois a resistência termica controladora e a do isolante térmico OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 26 42 Transferencia de calor em estado nao estacionario 421 Solidos planos Consideremos a situação de um alimento com formato planar por exemplo uma fatia de batata ou de carne que tem espessura e e inicialmente se encontra a uma temperatura uniforme Ti Essa fatia é então deixada em contato com a água ou com o ar para aquecimento ou resfriamento como mostrado na Figura 42 O fluido e mantido a uma temperatura constante T e troca calor com o alimento através de ambas as faces com um coeficiente convectivo h O aquecimento ou o resfriamento de um solido em estado não estacionário transiente e caracterizado pelo número de Biot NBi um adimensional que representa a relação convecçãocondução na interface fluidosolido Esse adimensional e definido na Equação 44 em que d e a dimensão caracteristica do solido h e o coeficiente convectivo do fluido e k e a condutividade termica do solido A dimensão caracteristica de uma placa plana infinita e metade de sua espessura ou seja d e2 Equação 44 Valores altos de Biot indicam que a resistência condutiva do solido e superior à resistência convectiva do fluido Se Biot for baixo a resistência convectiva do fluido é superior Na Figura 913 e ilustrada de forma qualitativa a variação do perfil de temperatura ao longo da espessura de um solido plano sendo resfriado em função do tempo O centro é o ponto que demora mais tempo a atingir a temperatura T estado de equilibrio termico solidofluido Para obter a expressão da temperatura do solido em função da posição e do tempo é necessário formular um balanço diferencial de energia térmica e realizar a sua integração entre as superficies limitrofes Schneider 1955 No caso de o solido planar placa plana podemos assumir que a troca termica ocorre exclusivamente atraves das faces na direção x desprezando as bordas conforme mostrado na Figura 42 Considere então uma fina fatia desse solido com espessura infinitesimal x e volume infinitesimal VAxx O balanço de energia térmica nessa fatia é OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 27 Equação 45 Veja que se entrar mais calor do que sair x será negativo e a quantidade de energia acumulada aumentará com o tempo Qt 0 Figura 42 Solido com formato de placa plana trocando calor com fluido atraves de ambas as faces No detalhe volume de controle para o balanço diferencial de energia Fonte Tadini 2018 p 448 ISTO ACONTECE NA PRÁTICA Na conducão a transmissão de calor é direta e ocorre a propagação do calor do exterior para o interior decorrente do contato molécula com molécula numa superfície sólida por meio do contato direto do alimento com o calor Um bom exemplo seria uma chapa para grelhar alimentos OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 28 CAPÍTULO 5 PRINCIPAIS TIPOS DE TROCADOR DE CALOR NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS TROCADOR DE CALOR DE DUPLO TUBO E TROCADOR DE CALOR DE SUPERFÍCIE RASPADA Há diversos tipos construtivos de trocador de calor A sua escolha depende de vários fatores custo global requisitos do processo caracteristicas dos fluidos quente e frio desempenho termico perda de carga facilidade de manutenção e limpeza espaço ocupado etc São apresentados a seguir os tipos mais comuns usados em processamento de alimentos e suas respectivas vantagens e desvantagens ISTO ACONTECE NA PRÁTICA Em todo o mundo hoje existem milhares de trocadores de calor em operação Eles são usados em praticamente todo tipo de processamento de alimentos e bebidas que se pode imaginar incluindo Aplicações de laticínios como pasteurização de leite e creme tratamento de leite fermentado UHT prétratamento de leitelho leite para queijo leite para sorvete e muito mais Processamento de bebidas que incluem sucos transparentes refrescos concentrados de suco bebidas esportivas isotônicas sucos de tomate e vegetais smoothies bebidas à base de plantas chá café e muito mais 51 Trocador de calor de duplo tubo O tipo de trocador de calor mais simples em termos de construção e o de duplo tubo ou trocador de tubos concêntricos Ele é formado por dois tubos circulares concêntricos No tubo interno circula um dos fluidos e no espaço anular o outro É particularmente adequado para serviços a altas pressões pois não requer em geral espessuras de tubos OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 29 muito elevadas para esses casos São muito utilizados para alimentos líquidos com baixa ou media viscosidade como sucos polpas vinhos e purês Para facilitar sua construção e aproveitar melhor a ocupação do espaço os trocadores de duplo tubo são normalmente fabricados na forma de modulos conhecidos como grampos que são conectados sequencialmente ate atingir a área de troca termica desejada como pode ser visto nas Figuras 51 e 52 É relativamente fácil ajustar a área de troca termica de um trocador duplo tubo usando um maior ou menor número de grampos O trocador de duplo tubo permite dois arranjos básicos contracorrente fluidos escoando em sentidos opostos como na Figura 51 e concorrente fluidos escoando no mesmo sentido Entretanto os grampos podem ser montados em serie ou paralelos permitindo outros possíveis arranjos Como no arranjo contracorrente tem se o maior potencial térmico possivel diferença de temperatura entre os fluidos quente e frio esse e o arranjo mais comum Por não serem compactos os trocadores de duplo tubo são economicamente competitivos apenas em serviços cuja área de troca térmica requerida seja pequena menor que 20 m2 pois para tamanhos maiores o número excessivo de grampos torna a sua montagem inviável ou ocupa um espaço muito grande É importante salientar que dependendo da natureza dos fluidos envolvidos pode ocorrer um desgaste intenso por erosão nas curvas de ligação dos grampos Figura 51 Esquema de um trocador de calor de duplo tubo tubos concentricos com arranjo de escoamento em contracorrente Fonte Tadini 2018 p 463 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 30 Figura 52 a Trocador de calor de tubos concentricos com cinco grampos cortesia XLG b Trocador de calor de tubos concentricos com tubos corrugados cortesia Alfa Laval Fonte Tadini 2018 p 463 A limpeza mecânica é realizada a partir da desmontagem das curvas de conexão dos grampos e com o uso de escovas de aço fazse a remoção do material aderido no interior do tubo interno Esse procedimento e ineficiente e pouco viável para o espaço anular Recomendase portanto que no processamento de um produto alimenticio que este seja alocado no tubo interno e que no espaço anular seja alocado o fluido de serviço ou utilidades liquido de resfriamento ou água de aquecimento Existem tambem em algumas indústrias alimenticias os trocadores de calor de triplo tubo O fluido de serviço aquecimento ou resfriamento escoa no tubo interno e no espaço anular mais externo ao passo que o produto alimenticio circula no espaço anular intermediário 52 Trocador de calor de superfície raspada Os trocadores de calor de superfície raspada são similares aos trocadores de duplo tubo Seu diferencial está no eixo rotativo no centro do tubo interno Esse eixo contém lâminas raspadoras que promovem a mistura do fluido no tubo O produto alimentício escoa no tubo interno e o fluido de serviço aquecimento ou resfriamento escoa na OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 31 camisa anular externa conforme mostrados nas Figuras 53 e 54 Esses trocadores podem ser montados na posição horizontal ou vertical As lâminas raspam continuamente a pelicula do produto aderida à superficie do tubo Essa ação melhora significativamente o processo de troca termica removendo o produto que já trocou calor e liberando a superficie para a troca subsequente Um aspecto não desejável é a retro mistura axial que ocorre quando a porção de líquido que já trocou calor é misturada no sentido contrário ao do escoamento Dessa maneira reduzse o potencial termico e portanto o transporte de calor e prejudicado Esse problema é mais intenso em trocadores de tamanhos reduzidos Por causa da ação continua de raspagem o produto fica aderido à parede por pouco tempo reduzindo efeitos indesejáveis da temperatura que possam degradálo em um processo de aquecimento Os trocadores de calor de superfície raspada são recomendados para alimentos liquidos de media ou alta viscosidade como xaropes chocolates molhos polpas de frutas ou carne processada Alimentos contendo partículas em suspensão também podem ser processados nesse tipo de trocador Figura 53 Esquema de um trocador de superficie raspada com arranjo de escoamento em contracorrente Fonte Tadini 2018 p 464 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 32 Figura 54 Trocador de superficie raspada aberto exibindo o eixo central com as laminas raspadoras cortesia Alfa Laval Fonte Tadini 2018 p 464 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 33 CAPÍTULO 6 PRINCIPAIS TIPOS DE TROCADOR DE CALOR NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS TROCADOR DE CALOR DE CASCO E TUBOS TROCADOR DE CALOR DE PLACAS 61 Trocador de calor de casco e tubos Nos trocadores de calor do tipo casco e tubos ou de feixe tubular um feixe de tubos que pode chegar a ter mais de mil tubos preso em um disco conhecido como espelho e envolto em um corpo cilindrico chamado de casco Um dos fluidos escoa pelo interior do feixe de tubos e o outro escoa pelo interior do casco Dentro do casco e comum o uso de chicanas que são placas que forçam o fluido a mudar de direção aumentando a turbulência e consequentemente a troca termica Na Figura 61 são apresentados dois tipicos trocador de casco e tubos O primeiro tem dois espelhos segurando o feixe de tubos Esses espelhos podem ser fixos ao casco ou podem deslizar junto a um cabeçote flutuante ou seja o feixe de tubos pode ser removido do casco para limpeza e manutenção O segundo trocador na Figura 61 chamado de trocador com feixe de tubos em U tem apenas um espelho já que os tubos fazem uma curva de 180 na extremidade oposta como pode ser visto tambem na Figura 62 Opcionalmente os tubos podem ter ranhuras para melhorar a turbulência no escoamento Note na Figura 61 que o fluido no casco atravessa o trocador da esquerda para a direita uma vez enquanto o fluido nos tubos atravessa o trocador duas vezes É chamada de passe ou passo cada passagem do fluido pelo trocador Os trocadores na Figura 61 têm arranjo de passes 12 um passe no casco e dois passes nos tubos É vantajoso ter um número par de passes no lado dos tubos para que as tubulações de entrada e de saida fiquem localizadas do mesmo lado do trocador em um cabeçote único O lado do casco pode ter mais de um passe quando são utilizadas placas horizontais para dividir o seu interior OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 34 Os trocadores de calor de casco e tubos são de modo geral compactos ocupando pouco espaço e são relativamente fáceis de serem desmontados Nesses trocadores é muito difícil o ajuste da área de troca térmica de um equipamento existente Em face de sua construção o custo dos trocadores de casco e tubos e maior para os de cabeçote flutuante seguido pelos de tubos em U e por fim os de espelho fixo o mais barato entre os três Os trocadores de calor de espelho fixo oferecem otima proteção contra vazamentos principalmente em relação ao fluido do casco para o ambiente externo Já os de cabeçote flutuante são mais suscetíveis a vazamentos em razão das gaxetas internas Alem disso são tambem mais vulneráveis à corrosão e erosão Esse problema ocorre tambem na curva de 180 dos trocadores de calor com tubos em U O lado do casco de modo geral não e muito acessivel para limpeza mecânica e manutenção Essa dificuldade e atenuada ao se optar por um trocador de feixe tubular com cabeçote flutuante ou tubos em U mas ainda assim não se garante um grau de limpeza total nos intersticios do casco Dessa maneira e preferivel ter o alimento escoando pelo interior dos tubos Alem disso o lado do casco e mais propenso a ter zonas de estagnação o que não e recomendado para alimentos Quando a diferença entre as temperaturas de entrada e saída de um dado fluido e elevada superior a cerca de 100 C pode haver problemas de dilatação termica devendo ser evitado o tipo de espelho fixo e usar o de cabeçote flutuante ou de tubos em U alem de prover eventualmente juntas de expansão adequadas Figura 61 Esquema de dois trocadores de calor de casco e tubos a trocador com espelhos fixos b trocador com feixe de tubos em U Fonte Tadini 2018 p 465 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 35 Figura 62 Trocadores de calor de casco e tubos do tipo feixe de tubos em U cortesia API Heat Transfer Fonte Tadini 2018 p 465 ANOTE ISSO Curiosidade Por volta de 20000 AC o homem já utilizava uma espécie de dispositivo que viabilizava a troca de calor conhecido como panela de cozinhar Arquimedes de Siracusa por volta de 212 AC criou o primeiro dispositivo de calor destinado ao uso comercial e público o canhão a vapor Heron em 120 AC criou outro dispositivo a esfera gigante Entretanto somente em 1763 o trocador de calor foi lançado com a criação da máquina a vapor de James Watt 62 Trocador de calor de placas Um tipo de trocador de grande importância para o processamento de alimentos líquidos e o trocador de calor de placas Esses trocadores são constituidos por um pacote de finas placas metálicas que formam canais de escoamento entre cada par de placas Os fluidos quente e frio escoam alternadamente por esses canais Para que não haja contaminação entre os fluidos é fundamental a vedação dos canais Na Figura 63 e apresentada a vista de um trocador de calor de placas aberto com alguns detalhes construtivos Na Figura 64 são apresentados alguns trocadores de placas sanitários usados para tratamento térmico de alimentos líquidos Note a presença das OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 36 grades conectoras ao longo do pacote de placas Essas placas especiais permitem a entrada e a saida de fluidos do pacote de placas o que e vantajoso no tratamento termico pois o alimento pode ser aquecido e resfriado no mesmo equipamento como no caso do pasteurizador As placas são em geral corrugadas para melhorar a sua resistência mecânica o enrugamento confere maior rigidez assim como melhorar a eficiência de troca termica intensificação da turbulência Há vários formatos de ranhuras sendo as mais usuais a espinha de peixe com ranhuras inclinadas veja a Figura 63 e a tábua de lavar em que as ranhuras são paralelas e horizontais O trocador de calor de placas permite uma grande variedade de arranjos de escoamento Na Figura 65 uma possibilidade de arranjo de passes para um trocador com nove placas e apresentada Como as placas das extremidades não trocam calor esse trocador tem efetivamente sete placas termicas nPl 7 O número de canais de escoamento e 8 de modo que cada fluido ocupa quatro canais O fluido frio faz quatro passes pelo trocador np 4 e cada passe tem apenas um canal ncnp 1 Já o fluido quente faz dois passes np 2 de dois canais ncnp 2 A fração ncnp representa a razão entre os números de canais e de passes ou seja o número de canais por passe Quanto maior for o número de canais por passe menor será a velocidade de escoamento já que a vazão de alimentação é dividida pelos canais que compõem o passe Figura 63 Esquema de um trocador de calor a placas a pacote de placas aberto b pedestal fixo c pedestal movel d conexao para entrada ou saida de fluido e parafusos de aperto f placa com corrugaçao espinha de peixe g gaxeta da placa h orificio da placa Reimpresso de Chem Eng Sci 59 4591 4600 2004 com permissao da Elsevier Fonte Tadini 2018 p 467 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 37 Figura 64 Trocadores de calor de placas de diversos tamanhos padrao sanitario imagem de arquivo Tetra Pak Fonte Tadini 2018 p 467 O arranjo na Figura 65 e representado como 2 24 1 lado quente com dois passes de dois canais e lado frio com quatro passes de um canal ou simplesmente 24 Com quatro canais as opções de passes são 1 4 2 2 e 4 1 para cada um dos lados Outra variável importante é a posição relativa entre a alimentação no pacote de placas Raramente os fluidos quente e frio são alimentados no mesmo lado do pacote de placas já que isso acarreta redução do potencial térmico para arranjos com mais de um passe Esse tipo de montagem e mais comum em arranjos 11 por deixar livre o pedestal movel do trocador os dutos de entrada e saida ficam no pedestal fixo De maneira geral escolhem se os pontos de alimentação para ter mais placas com escoamento contracorrente do que concorrente no trocador No caso da Figura 65 há quatro placas com escoamento contracorrente 1 2 4 e 7 e três placas com escoamento concorrente 3 5 e 6 Se o fluido frio fosse alimentado na parte superior teriamos apenas três placas em contracorrente Os trocadores de calor de placas proporcionam excelentes coeficientes de transporte de calor Em função desse fato e da menor formação de depositos sobre as superficies de troca de calor para uma dada condição o coeficiente global de troca termica chega a ser até cinco vezes superior ao obtido em um trocador de calor de casco e tubos Por causa desse excelente desempenho termico a área de troca termica requerida para uma dada demanda torna se menor OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 38 Assim como os trocadores de calor de tubos concêntricos os de placas apresentam boa flexibilidade no ajuste da área de troca termica acrescentando ou retirando placas em função da demanda do processo São equipamentos compactos e em geral de baixo peso O menor volume de metal usado na construção é de grande vantagem quando o trocador deve ser feito em aço inoxidável ou algum outro metal de maior custo Em razão da facilidade de desmontagem os trocadores de placas são os mais adequados em termos de limpeza mecânica e higienização Esta representa uma característica extremamente importante para processos de aplicações sanitárias Por causa disso quando ambos os fluidos envolvidos são alimenticios recomenda se que a troca térmica seja feita em um trocador de calor de placas Isso ocorre nos casos de recuperação de calor quando o alimento quente e usado para preaquecer o alimento frio que entra no processo O excelente desempenho térmico permite a operação com uma diferença de temperaturas entre os fluidos quente e frio chamada de approach de apenas 2 C a 3 C e requer um menor volume de produto retido dentro do equipamento Essas caracteristicas são vantajosas para processamentos de produtos termos sensiveis como é o caso dos alimentos Uma vez que a camada do produto alimentício que escoa ao longo de um canal e bem fina o tempo de retenção no equipamento e curto minimizando desse modo a possibilidade de degradação termica Alem disso o menor volume retido dentro do equipamento reduz as perdas associadas às paradas de processo ou ajustes de condições de operação Figura 65 Uma possibilidade de arranjo de passes para um trocador de calor de placas com nove placas e consequentemente oito canais de escoamento Fonte Tadini 2018 p 468 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 39 Um ponto vulnerável nos trocadores de calor de placas entretanto são as gaxetas que em geral têm vida útil limitada Há restrições do seu uso para serviços a pressões elevadas superiores a 2000 kPa eou a temperaturas altas superiores a 300 C Nessas situações limitrofes e preciso recorrer a tipos mais especificos e robustos de trocador e com isso a facilidade de desmontagem e a consequente limpeza ficam prejudicadas Os trocadores de calor de placas não são recomendados para produtos alimentícios com presença de fibras ou particulas em suspensão pois estas podem ocasionar entupimentos Tambem não são muito apropriados para liquidos de alta viscosidade uma vez que a sua distribuição ao longo das placas torna se mais problemática e a perda de carga no escoamento pode tornarse proibitiva Não são usados de modo geral para vapores e gases com exceção do vapor dágua OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 40 CAPÍTULO 7 EQUAÇÃO BÁSICA DE PROJETO DE UM TROCADOR DE CALOR ISTO ESTÁ NA REDE Bora aprender mais sobre equipamentos cervejeiros Nesse batepapo Vander Gomes fala sobre a utilização de trocadores de calor a placas em cervejarias Promovido pela ESCM é a maior Escola de ensino cervejeiro da América Latina Fundada em 2014 milhares de alunos de 20 nacionalidades já se formaram nos cursos de nível técnico pósgraduação e em dezenas de cursos livres de formação e aperfeiçoamento para amantes da cerveja amadores e profissionais Assista aqui httpswwwyoutubecomwatchvi8on9bhjWpU 71 Equaçao basica de projeto de um trocador de calor A operação de um trocador de calor contracorrente pode ser simplificada como na Figura 71 O fluido quente atravessa o trocador de uma extremidade a outra fornecendo continuamente calor ao fluido frio que escoa no sentido contrário atraves da parede metálica As áreas de troca termica nos lados quente Aq e frio Af são diferentes no caso de trocadores tubulares duplo tubo superficie raspada ou casco e tubos e iguais no caso de trocadores de placas Nos trocadores tubulares a área de troca é a soma da área de todos os tubos do feixe No caso de placas a área total e a soma das áreas das placas térmicas Chamamos de carga termica a taxa de transferência de calor entre os fluidos quente e frio no trocador Desprezandose as trocas de calor com o ambiente a carga térmica em um trocador de calor pode ser calculada por três modos No primeiro modo aplicamos um balanço global de energia no lado do trocador onde escoa o fluido frio No estado estacionário a taxa de entrada de energia se iguala à taxa de saida de energia no volume de controle Equação 71 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 41 em que e a taxa de transferência de calor W e a vazão mássica do fluido frio kg s1 e Hfe e Hfs são respectivamente as entalpias especificas do fluido frio na entrada e na saída do trocador de calor J kg1 Para o caso particular em que não há mudança de estado e desprezandose a variação do calor especifico em função da temperatura a Equação 71 torna se Equação 72 em que CPf e o calor especifico a pressão constante do fluido frio J kg1 K1 Tfe e a temperatura media do fluido frio na entrada do trocador K e Tfs é a temperatura media do fluido frio na saida do trocador K O produto da vazão pelo calor especifico e denominado capacidade termica do fluido C J s1 K1 sendo Cf para o fluido frio e Cq para o fluido quente No segundo modo o balanço de energia e aplicado ao lado quente do trocador Analogamente ao desenvolvimento feito para o lado frio a carga termica cedida pelo fluido quente é dada por Equação 73 Figura 71 Representaçao do circuito termico em um trocador de calor com os fluidos escoando em contracorrente Fonte Tadini 2018 p 468 Por fim o terceiro modo para calcular a carga termica envolve a determinação do coeficiente global de troca termica entre os fluidos quente e frio U W m2 K1 O circuito termico destacado na Figura 71 indica a existência de três resistências termicas OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 42 entre Tq e Tf convecção no fluido quente condução atraves da parede metálica e convecção no fluido frio Por fim o terceiro modo para calcular a carga termica envolve a determinação do coeficiente global de troca termica entre os fluidos quente e frio U W m2 K1 reveja o conceito do coeficiente global do Capitulo 4 O circuito termico destacado na Figura 71 indica a existência de três resistências termicas entre Tq e Tf convecção no fluido quente condução atraves da parede metálica e convecção no fluido frio A combinação dessas resistências fornece o coeficiente global de troca termica U conforme as Equações do Capitulo 4 Na Tabela 41 as equações para as resistências de condução em paredes planas úteis para trocadores de placas e cilindricas úteis para trocadores tubulares e para a resistência de convecção são mostradas A forma geral da equação do coeficiente global de troca termica em trocadores e apresentada na Equação 74 em que Aq e Af são as áreas de troca térmica nos lados quente e frio m2 A e a área de troca termica de referência m2 pode ser Aq ou Af Āln é a média logarítmica entre Aq e Af m2 hq e hf são os coeficientes de convecção nos lados quente e frio W m2 K1 e e a espessura da parede metálica que separa os lados quente e frio m e kM é a condutividade térmica do metal W m1 K1 Equação 74 Para trocadores de calor de placas as áreas nos lados quente e frio são iguais ou seja A Aq Af Āln nPlAeP sendo nPl o número de placas termicas e AeP a área efetiva de troca de uma placa m2 Entretanto para trocadores tubulares as áreas de troca são diferentes para os dois lados do trocador De modo geral a área de troca para o fluido que escoa no interior dos tubos e A nTπDiL m2 e a área de troca para o fluido que escoa no casco ou no ânulo é A nTπDeL m2 em que Di e De são os diâmetros interno e externo do tubo m respectivamente L e o comprimento de um tubo m e nT e o número de tubos do feixe A espessura da parede do tubo e e De Di2 m Nos trocadores tubulares a área de referência e a maior área ou seja aquela relativa ao diâmetro externo do tubo O coeficiente global calculado por meio da Equação 74 e dito limpo pois ele não leva em conta possiveis depositos de material que venham a se formar nas superficies de troca térmica OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 43 A carga térmica do trocador de calor pode então ser expressa como Equação 75 A força motriz de troca termica tambem chamada de potencial termico e a diferença entre as temperaturas do fluido quente e do fluido frio ΔT Tq Tf veja a Figura 71 Esse potencial termico varia ao longo da extensão do trocador e um valor medio Δ m e utilizado na Equação 75 A determinação de Δm é apresentada adiante na disciplina Uma variável auxiliar muito usada na análise de trocadores de calor e a eficiência termica ou efetividade termica Essa variável e definida na Equação 76 como a razão entre a carga térmica do trocador e a carga térmica máxima que ele poderia atingir se a área de troca fosse infinitamente grande em escoamento contracorrente No denominador da Equação 76 a capacidade termica e a minima dentre os lados quente e frio do trocador e o potencial térmico é o máximo Equação 76 em que ηe e a eficiência energetica do trocador adimensional Em resumo as Equações 72 73 e 75 fornecem o valor da carga termica do trocador O uso de cada uma delas dependerá das informações disponíveis Pela Equação 75 observa se que a área de troca termica A necessária para uma dada demanda de carga termica depende do valor do potencial termico medio Δ m assim como do coeficiente global de troca termica U Então quanto maior a diferença entre as temperaturas dos dois fluidos eou mais intensa for a troca térmica maior valor de U menor será a área requerida para atingir a demanda tornando mais barato o equipamento Por essa razão a Equação 105 e conhecida como a equação básica de projeto de um trocador de calor Sua grande importância está em relacionar o tamanho do trocador área de troca com seu desempenho carga termica temperaturas de saida Com relação à equação básica de projeto convem distinguir duas situações no seu uso A primeira e a de um projeto propriamente dito etapa de design ou dimensionamento isto e na concepção de um equipamento a ser construido para OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 44 atender uma dada demanda de carga termica Nesse caso devese buscar a geometria de um trocador de calor e consequentemente a sua área de modo que se tenha o valor ideal do coeficiente global de troca termica para as condições de processo especificadas Em razão do maior grau de liberdade nesse estudo pois o equipamento ainda não existe essa análise não e tão simples A outra situação do estudo de um trocador de calor conhecida como avaliação rating refere se ao caso em que o equipamento já existe Com isso o tamanho e a geometria do trocador de calor são conhecidos e fixos Deseja se então avaliar o seu desempenho por meio da determinação do coeficiente global de troca termica da carga térmica e das temperaturas de saída No caso de projeto a carga termica desejada e uma variável especificada e no caso de avaliação a carga termica e uma variável desconhecida No primeiro caso pergunta se Quais devem ser o tamanho e o desenho do trocador de calor para atender a carga termica desejada dadas as condições de alimentação dos fluidos vazões e temperatura de entrada No segundo caso pergunta se Qual será a carga termica proporcionada por esse trocador dadas as condições de alimentação dos fluidos vazões e temperatura de entrada Em uma situação de avaliação o trocador existente pode ou não estar em operação Caso ele esteja em operação e seja possível medir as vazões e as temperaturas de entrada e de saida dos fluidos quente eou frio as Equações 72 e 73 fornecem a carga termica real experimental do equipamento Possiveis diferenças entre os valores calculados para os lados quente e frio do trocador geralmente estão associadas à troca térmica entre o equipamento e o ambiente ou a erros experimentais de coleta de dados O valor experimental de pode então ser introduzido na Equação 75 para obter o valor experimental do coeficiente global de troca termica Por outro lado se o trocador não estiver em operação o coeficiente global deve ser estimado calculando as resistências termicas envolvidas como na Equação 74 O coeficiente de convecção para os lados quente e frio deve ser estimado usando correlações típicas 72 Tipos de escoamento Um trocador de calor pode ser classificado de acordo com os tipos de escoamento dos dois fluidos Há dois tipos básicos de arranjos de escoamento em contracorrente escoamento paralelo em sentidos opostos como nas Figuras 51 e 53 ou concorrente OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 45 escoamento paralelo no mesmo sentido Alem destes existe o escoamento cruzado com direções em ângulo de 90 menos frequente na indústria alimenticia e os chamados arranjos mistos isto e em partes do trocador o escoamento e contracorrente e em outras concorrente veja exemplos nas Figuras 61 e 62 Os arranjos mistos são normalmente representados pelos números de passes dos fluidos quente e frio no trocador como visto para os trocadores de casco e tubos e de placas Como mencionado antes o valor do potencial termico ΔT Tq Tf geralmente varia ao longo de um trocador de calor Na Figura 72 está mostrado o perfil do potencial térmico para os dois tipos básicos de arranjo de escoamento Notase uma grande variação do potencial termico ao longo de um trocador com escoamento concorrente pois os dois fluidos quente e frio entram em uma mesma extremidade do equipamento e saem juntos na outra extremidade com temperaturas muito proximas Para o caso de escoamento em contracorrente o potencial termico normalmente tem pouca variação ao longo do equipamento No escoamento concorrente a temperatura de saida do fluido quente não pode ser inferior à temperatura de saida do fluido frio Essas temperaturas para um trocador muito longo podem no máximo ser iguais Já em um trocador contracorrente e possivel ter a saida do fluido quente com temperatura menor do que a saida do fluido frio pois se trata de temperaturas de correntes em extremidades distintas do trocador de calor Obviamente para uma mesma seção transversal do equipamento a temperatura do fluido quente sempre deve ser maior do que a do frio veja a Figura 72 Como a melhor distribuição do potencial térmico no arranjo contracorrente aumenta a eficiência da troca de calor esse arranjo e escolhido preferencialmente ao arranjo concorrente já que a área de troca termica necessária será menor redução de custo Em casos excepcionais pode se tornar interessante o uso de um trocador de calor em concorrente Um exemplo comum ocorre no aquecimento de um alimento muito viscoso A alta viscosidade aumenta a potência necessária para o bombeamento e reduz o coeficiente de transporte de energia por convecção Ao introduzir esse alimento na mesma extremidade em que entra o fluido quente consegue se um aquecimento brusco em razão do potencial bastante favorável Figura 72 Assim o valor da sua viscosidade e drasticamente reduzido logo na entrada do equipamento e com isso logra se um desempenho melhor no restante do trocador de calor OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 46 Figura 72 Perfis da temperatura ao longo de um trocador duplo tubo com arranjos contracorrente e concorrente A variavel ΔT representa o potencial termico Fonte Tadini 2018 p 471 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 47 CAPÍTULO 8 DIMENSIONAMENTO E CONDIÇÕES DE PROCESSO 81 Dimensionamento e condicões de processo A Equação 81 que e a equação básica para o projeto de trocadores de calor e fundamental por associar o desempenho do trocador com a sua área de troca térmica Entretanto o problema de dimensionamento do equipamento e mais complexo do que a determinação de sua área de troca já que cada tipo de trocador conta com um grande conjunto de parâmetros geométricos e construtivos A metodologia no roteiro de cálculos muda em função do tipo do trocador mas os conceitos fundamentais envolvidos são basicamente os mesmos em especial o uso das Equações 72 73 81 e 82 Equação 81 Equação 82 Na etapa de projeto de um trocador de calor são tipicamente conhecidas as temperaturas e vazões de alimentação dos dois fluidos assim como as temperaturas de saída esperadas para os fluidos quente e frio O primeiro passo da análise é a determinação das propriedades físicas médias dos fluidos para a faixa de temperatura de operação densidade calor especifico condutividade termica e viscosidade É aceitável que se adotem como simplificação os valores das propriedades de um dado fluido referentes à sua temperatura media aritmetica entre a entrada e a saida Em conjunto as Equações 72 e 73 devem ser usadas para determinar as temperaturas de saida desconhecidas eou a carga termica do trocador Uma vez escolhido o tipo de trocador de calor duplo tubo superficie raspada casco e tubos ou placas a Equação 81 deve ser usada para obter a principal variável de dimensionamento que e a área de troca termica A Entretanto o dimensionamento OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 48 normalmente é um processo iterativo constituído de uma série de problemas de avaliação São feitas várias tentativas com geometrias e tamanhos diferentes buscando a menor área menor custo do equipamento que atenda satisfatoriamente à carga térmica desejada Algumas variáveis de construção devem ser especificadas a priori de maneira a permitir o cálculo dos coeficientes de convecção dos lados quente e frio hq e hf e do coeficiente global de troca termica Us por meio da Equação 82 adotando valores apropriados para os fatores de incrustação Ao longo do processo iterativo essas variáveis especificadas podem ser revistas e ajustadas de acordo com os resultados obtidos O fator de correção da MLDT deve ser determinado usando um gráfico ou uma tabela apropriada para o tipo de trocador e arranjo de passes escolhido Uma vez determinados Us e FMLDT a área de troca termica e obtida por meio da Equação 108 O resultado de cada iteração deve ser analisado sob vários aspectos e mudanças devem ser propostas para encontrar o melhor desenho do trocador As variáveis envolvidas em um processo de troca térmica são muitas e quase sempre interdependentes com uma forte interação entre elas Com isso para que a solução de um problema não seja conflitante com a de outro e fundamental como na maioria dos problemas de engenharia que se guarde uma visão sistêmica na sua análise O principal conflito encontrado no projeto de trocadores de calor é a relação entre carga termica calor trocado e perda de carga queda de pressão no escoamento Ao tomar medidas para elevar a turbulência no escoamento melhoram se os coeficientes de troca termica e reduz se o tamanho do trocador Em contrapartida a maior turbulência aumenta o atrito no escoamento e a perda de carga resultando em um consumo exagerado de potência de bombeamento que pode até inviabilizar o processo Há na literatura aberta metodos de dimensionamento especificos para cada tipo de trocador de calor Kakaç e Liu 1998 Kern 1965 Perry e Chilton 1973 Saunders 1988 Tema 1999 Não e do escopo deste livro a apresentação dos metodos detalhados de projeto de cada tipo de trocador Nos itens a seguir são apresentados de modo sucinto alguns topicos conceituais a respeito das principais variáveis de processo envolvidas em um equipamento de troca térmica e no seu desempenho 811 Natureza e caracteristicas dos fluidos A natureza dos fluidos que circulam em um trocador de calor constitui o parâmetro básico para o seu projeto influenciando na escolha do tipo construtivo e do material OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 49 de construção na localização dos fluidos no cálculo dos desempenhos termico e hidráulico no dimensionamento e no projeto da geometria do equipamento assim como nos cuidados operacionais As características mais determinantes a serem levadas em conta são aplicação do produto alimenticio cosmetico farmacêutico quimico petroquimico etc agressividade quimica produto corrosivo ou mecânica produto abrasivo toxidez tendência à incrustação ponto de fulgor risco de explosão propriedades relevantes viscosidade calor especifico condutividade termica e densidade 812 Temperaturas de operacão As temperaturas de entrada e saida de um dado fluido em um trocador de calor chamadas às vezes de temperaturas terminais nos extremos do equipamento dependem em geral das exigências do processo No caso do projeto elas são especificadas e determinarão o valor do potencial termico ou a força motriz para promover a troca termica Por outro lado e importante especificar alem do valor nominal desejado para as temperaturas de saida qual a faixa de tolerância dentro da qual o valor pode oscilar sem prejuizos ao processo em um processamento de alimentos particularmente isso e fundamental o que reflete diretamente nos aspectos de operação instrumentação e controle do processo Vale ainda relembrar que os valores das propriedades fisicas citadas antes principalmente da viscosidade dos fluidos variam em função da temperatura Outro aspecto sobre as temperaturas terminais de um trocador de calor e que se os seus valores ou se a diferença entre eles forem muito elevados devem ser respeitadas algumas recomendações especificas por exemplo o uso de materiais de construção mais nobres o uso de juntas de expansão cuidados especiais nas gaxetas de vedação etc 813 Pressões de operacão Como o trocador de calor é sempre um equipamento inserido em uma unidade de processo as pressões dos fluidos tambem dependem do restante do sistema Às vezes os valores dessas pressões não são criticos Em alguns casos porem as pressões são ditadas pelas exigências especificas do processo de troca termica Por exemplo para possibilitar a condensação de certos fluidos ao se escolher como fluido frio a água proveniente de uma torre de resfriamento a pressão tem de ser suficientemente OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 50 alta isto e o valor da temperatura de orvalho desse fluido à pressão adotada deve ser condizente com o da temperatura da água de resfriamento que entra no condensador para que se tenha um potencial térmico adequado Outro caso em que o valor da pressão merece atenção especial é o do uso de um trocador de calor de placas Se possivel a pressão nesse caso não deve ser muito elevada pela dificuldade de prover uma resistência mecânica estrutural às placas e às vedações entre elas maior risco de vazamentos Independentemente do tipo construtivo do equipamento para as situações em que as pressões são muito elevadas deve se consultar normas especificas a respeito A espessura da parede do equipamento deve ser maior e condizente com o serviço assim como sistemas de segurança adequados válvulas de alivio ou discos de ruptura devem ser previstos Outro aspecto sobre a pressão de operação em um trocador de calor diz respeito à contaminação dos fluidos em um eventual acidente de ruptura dos tubos ou das placas Se por motivos de processo ou de segurança e preferivel que o fluido A seja contaminado pelo fluido B e não o contrário então se opera com uma pressão maior no lado do fluido B do que a do A Assim quando ocorre um vazamento o fluido B que tem pressão maior passa para o fluido A e não o oposto Por essa razão e comum ter o lado do fluido alimentício com maior pressão do que no lado do fluido de aquecimento ou resfriamento em um trocador de calor Por outro lado e importante lembrar que em um equipamento há uma queda de pressão Quando a variação da energia potencial não e significativa a pressão de entrada de um dado fluido e maior do que sua pressão de saida em razão da perda de carga atrito no escoamento Para concretizar o que foi mencionado anteriormente a pressão de saida do fluido B a minima do B no trocador tem que ser maior que a pressão de entrada do fluido A a máxima desse fluido no trocador Um exemplo dessa situação citada e o seguinte na pasteurização do leite o aquecimento e realizado por trocadores de calor de placas Apos o leite atingir a condição de letalidade desejada uma bomba centrifuga booster eleva sua pressão antes da entrada na etapa de resfriamento Nessa etapa o leite pasteurizado troca calor com leite cru que sofre um preaquecimento economizando energia e depois com um líquido de resfriamento A função da bomba centrífuga é de recuperar a pressão elevada do leite apos a queda de pressão que ocorre no trocador de calor OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 51 de aquecimento No caso de qualquer vazamento nos trocadores o leite não será contaminado com os líquidos de aquecimento ou de resfriamento 814 Velocidades de escoamento A velocidade de escoamento de um fluido em um trocador de calor influencia em quatro aspectos fundamentais distintos eficiência de troca termica perda de carga erosão e formação de depositos Quanto maior a velocidade de escoamento maior a intensidade de turbulência criada e consequentemente melhor será o coeficiente de transporte de energia Com isso conforme visto antes a área do trocador necessária para uma dada carga termica será menor Nesse aspecto e desejável que a velocidade de escoamento seja alta Mas essa turbulência intensa também implica um atrito maior no escoamento e uma maior perda de carga aumentando o custo de bombeamento e podendo ate ultrapassar valores máximos admissiveis Então nesse caso não e desejável uma velocidade de escoamento exageradamente alta Portanto há um compromisso entre melhorar a eficiência de troca termica sem acarretar uma perda de carga excessiva A busca desse compromisso constitui um dos principais objetivos no projeto de um trocador de calor Alem desses dois aspectos a velocidade de escoamento está ligada à erosão principalmente para fluidos com solidos abrasivos em suspensão ou corrosão por abrasão Quanto maior a velocidade de escoamento mais intenso será o efeito de erosão Logo sob esse ponto de vista prefere se uma velocidade de escoamento mais baixa Um último ponto relevante sobre a velocidade de escoamento e a sua influência sobre a incrustação Uma velocidade baixa pode favorecer a formação do deposito e a dificuldade na sua remoção subsequente prejudicando a eficiência de troca termica Portanto por causa disso deve se optar por um valor mais elevado na velocidade de escoamento Em resumo a velocidade de escoamento dos fluidos constitui uma variável tipica que influencia de modo conflitante nos diversos aspectos de um processo Há na literatura faixas de valores recomendados para velocidade de escoamento em trocadores de calor tubulares Para liquidos com viscosidade menor que 50 mPa s sugerese uma velocidade em torno de 10 e 30 m s1 Para líquidos de viscosidades maiores o valor da velocidade recomendada e menor para não provocar uma perda OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 52 de carga excessiva 02 a 10 m s1 Para gases e vapores a faixa tipica sugerida na literatura e entre 25 e 30 m s1 No caso de trocadores de calor a placas a faixa recomendada de velocidade nos canais onde escoa liquido e de 03 a 10 m s1 Mas e fundamental ressaltar que os valores mencionados devem ser tomados como orientação dependendo das necessidades ou exigências de um caso especifico pode se justificar a adoção de valores diferentes dos sugeridos 815 Perda de carga admissível Conforme mencionado antes por causa do atrito ocorre uma queda de energia mecânica entre a entrada e a saída de um equipamento Essa variação é conhecida como perda de carga O seu valor depende de vários fatores como vazão de escoamento área da seção transversal viscosidade e densidade do fluido comprimento do trajeto e rugosidade da parede Para cada fluido em um dado processo estipula se em geral um valor de perda de carga máximo ou a chamada perda de carga admissivel por várias razões Uma perda de carga excessiva representa um consumo operacional de energia maior custo de bombeamento devendo portanto ser evitada Alem disso não se deve esquecer que o trocador de calor é sempre um equipamento componente de uma unidade de processo O fluido que sai dele em muitas vezes vai ainda passar por tubulações e outros equipamentos a jusante com suas respectivas perdas de carga Portanto na saida do trocador de calor o fluido precisa dispor de energia mecânica suficiente para vencer as perdas subsequentes Assim como para velocidade de escoamento encontramse na literatura valores típicos sugeridos para queda de pressão admissível em um trocador de calor Para liquidos de modo geral a faixa recomendada e de 70 a 170 kPa Para gases e vapores em processos com pressão de operação bem acima da atmosferica recomenda se uma faixa de queda de pressão admissivel em torno de 14 a 70 kPa para processos que operam a pressão proxima à atmosferica ou sob vácuo sugeremse valores de 2 ate 14 kPa Como visto na seção anterior a perda de carga está diretamente associada à velocidade de escoamento Então um valor de perda de carga muito baixo representa pouca intensidade na turbulência do escoamento o que implica uma menor eficiência de troca termica Com isso deve se trabalhar com um valor de perda de carga o mais proximo possivel do admissivel usufruindo toda a dissipação de energia por atrito OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 53 prevista Por exemplo não e interessante operar um trocador de calor com perda de carga de 20 kPa se a admissivel e de 170 kPa pois as condições de trabalho resultariam em uma eficiência na troca termica muito abaixo da que poderia ser obtida com o equipamento Considera se que em um bom projeto de trocador as perdas de carga nos lados quente e frio sejam ligeiramente inferiores aos valores admissíveis Isso garante que o desempenho térmico será maximizado já que a turbulência no escoamento estará proxima de seu limite superior ISTO ACONTECE NA PRÁTICA A perda de carga nas tubulações de entrada e saída dos fluidos deve ser mantida abaixo de 10 e as perdas e entrada e saída dos canais internos das placas são incluídas no fator de atrito determinado pela geometria da placa 816 Incrustacão O deposito de materiais indesejáveis na superficie de um trocador de calor aumenta a resistência ao transporte de energia diminuindo com isso a eficiência de troca termica Alem disso o deposito provoca a obstrução da passagem do fluido aumentando a perda de carga Com isso um dos modos adotados na prática para acompanhar o grau de deposito em um trocador de calor em operação consiste em monitorar ao longo do tempo do seu uso os valores das temperaturas e das pressões terminais entrada e saida do equipamento À medida que a espessura do deposito incrustado aumenta diminui a eficiência de troca termica observada pelas temperaturas e aumenta a perda de carga observado pela diferença de pressões O processo de formação do deposito em geral e complexo Pode ser causado por sedimentação polimerização cristalização coagulação de proteinas coqueamento corrosão causas de natureza orgânica como algas ou outros Esses mecanismos podem ocorrer independente ou paralelamente A taxa de formação do deposito e afetada pelas condições de processo do equipamento como a propria natureza dos fluidos a velocidade de escoamento as temperaturas de operação tanto dos fluidos como na parede do material de construção e do acabamento da superficie rugosidade ou tipo de revestimento OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 54 Para facilitar a quantificação desse deposito costuma se usar um parâmetro conforme visto antes conhecido como fator de incrustação Faixas de valores tipicos podem ser encontrados na literatura para diversos casos de operação Esses valores são úteis porque servem de orientação Contudo como o fenômeno de incrustação e complexo e está suscetivel às mais diversas interferências deve se considerar com muita reserva a adoção desses valores generalizados Os valores mais confiáveis sempre são os obtidos experimentalmente para um dado caso particular O fator de incrustação deve ser levado em conta a priori no projeto do trocador de calor pois a área de troca termica calculada deve ser suficiente para a demanda do processo tanto para a situação quando o equipamento está novo limpo como quando está em operação há algum tempo já com incrustação Como o valor desse fator de incrustação e dificil de ser previsto se não houver disponibilidade de um valor experimental de acordo essa deficiência constituirá uma das causas principais da incerteza no projeto de um trocador de calor sujeito à formação de depositos A experiência profissional nesse aspecto e fundamental OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 55 CAPÍTULO 9 EVAPORAÇÃO 91 Definiçao de evaporaçao Pode se definir evaporação como a operação de concentração de uma solução por evaporação do solvente Trata se de uma das mais antigas operações de separação empregadas em escala industrial A importância da operação de evaporação pode ser ilustrada por meio dos processos de produção de açúcar de cana e de celulose No primeiro uma solução de sacarose e concentrada de maneira a permitir que a operação de cristalização que gera os cristais de açúcar possa ser realizada no segundo a lixivia tambem chamada de licor negro oriundo do tratamento da madeira em digestor e concentrada ate um valor que permita sua queima nas caldeiras de recuperação de maneira a recuperar sais de sodio item economicamente vital desse processo ISTO ACONTECE NA PRÁTICA A evaporação é uma operação unitária que tem como função concentrar uma solução pela ebulição do solvente As aplicações mais frequentes dos evaporadores são dessalinização concentração de suco de frutas produção de açúcar produção de café solúvel ou leite em pó como também para a concentração do licor negro proveniente da indústria de papel e celulose 92 Caracteristicas da operaçao de evaporaçao a Nos casos industriais mais frequentes a solução encontra se em sua temperatura normal de ebulição A evaporação de soluções salinas constitui uma importante exceção a essa regra b O objetivo da evaporação e concentrar uma solução composta por um soluto não volátil e um solvente volátil Em geral o vapor não é o produto desejado A principal exceção e a obtenção de água destilada por evaporação usada em processos quimicos ou em ciclos de potência OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 56 c Alem da evaporação na indústria de alimentos e em outros segmentos industriais vários são os processos de concentração de soluções e de remoção de solventes como concentração por congelamento osmose reversa e secagem A definição da operação a ser empregada e função de vários fatores principalmente a faixa de concentração a influência do processo nas características dos produtos e o custo da operação 93 Caracteristicas do liquido a ser evaporado A solução prática de um problema de evaporação é profundamente afetada pelas caracteristicas do liquido a ser concentrado Essas caracteristicas se modificam à medida que o líquido vai se concentrando Mesmo que a solução alimentada seja diluida o suficiente para ter propriedades com valores proximos aos da água à medida que a concentração aumenta essas propriedades tornam se mais distintas como a densidade e a viscosidade aumentam reduzindo a eficiência de troca termica a solução torna se saturada no que diz respeito ao equilibrio solido liquido dos compostos dissolvidos provocando a formação de cristais que devem ser removidos para evitar o entupimento de tubos o ponto de ebulição da solução pode subir consideravelmente com a concentração diminuindo se assim o potencial térmico e consequentemente a capacidade de transferência de calor Por outro lado muitos produtos quimicos farmacêuticos e alimenticios são danificados quando aquecidos a temperaturas moderadas mesmo por periodos relativamente pequenos Na concentração desses materiais tecnicas especificas são necessárias para reduzir a temperatura do líquido e o tempo de aquecimento As exigências de qualidade do produto podem requerer pequeno tempo de residência e temperaturas baixas Baixos tempos de residência podem excluir alguns tipos de evaporadores para o serviço proposto Pode se exigir um material especial de construção para garantir a qualidade do produto 94 Evaporaçao em simples e múltiplo efeito Três elementos principais compõem o projeto de um evaporador a transferência de calor a separação liquido vapor e o consumo eficiente de energia As unidades nas quais se dá a transferência de calor são denominadas unidades de aquecimento ou calandrias Os separadores de liquido vapor são denominados corpos cabeças de OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 57 vapor ou câmaras flash O termo corpo e tambem utilizado para designar um modulo compreendendo a unidade de aquecimento e uma câmara flash A Figura 91 apresenta um esquema de um evaporador de tubo longo no qual são ilustradas as correntes de vapor de aquecimento condensado solução de alimentação e concentrado Denominase evaporação em simples efeito aquela que ocorre em um ou mais corpos operando à mesma pressão Evaporação em múltiplo efeito consiste em um sistema de evaporação constituido de múltiplos evaporadores em que o vapor proveniente de um efeito evaporador e utilizado como meio de aquecimento para um efeito subsequente operando em uma pressão menor A Figura 92 apresenta um esquema de um sistema com três efeitos cujas pressões de operação decrescem do primeiro para o último efeito Figura 91 Esquema de um evaporador vertical de tubo longo Fonte Tadini 2018 p 498 Figura 92 Sistema de evaporaçao em múltiplo efeito Fonte Tadini 2018 p 498 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 58 O termo evaporador pode ser utilizado para todo o conjunto de efeitos e não apenas para um corpo ou um único efeito 94 Principais tipos de evaporadores Os principais tipos de evaporadores são de tubos curtos de tubos longos com fluxo ascendente e circulação natural ou forçada de filme descendente e do tipo placas Segundo Green e Perry 2008 os evaporadores podem ser classificados em Aqueles em que o meio de aquecimento é separado da solução a ser evaporada por superficies tubulares tubos Aqueles em que o meio de aquecimento está confinado em camisas serpentinas e placas planas Aqueles em que o meio de aquecimento entra em contato direto com a solução em evaporação Aqueles que utilizam aquecimento por meio de radiação solar A grande maioria dos evaporadores industriais emprega tubos para aquecimento da solução a ser evaporada A circula ção dessa solução pode ser induzida pela propria ebulição ou pode ser forçada por meio de bombeamento Nesse caso a ebulição não ocorre necessariamente na superfície de aquecimento A Figura 93 adaptada de Green e Perry 2008 apresenta os principais tipos de evaporadores de aplicação industrial 95 Elevaçao do ponto de ebuliçao pelo efeito da concentraçao e da altura de liquido A temperatura da solução no corpo do evaporador não é necessariamente igual à temperatura de ebulição do solvente na pressão de operação Essa diferença de temperatura pode estar associada aos efeitos da concentração e da altura de líquido 96 Efeito da concentraçao A pressão de vapor de uma solução é menor que a do solvente puro na mesma temperatura Portanto para certa pressão de operação a temperatura de ebulição da solução é maior que a do solvente puro A esse fato denominase EPE elevação do ponto de ebulição A EPE é função da concentração e do tipo de soluto A EPE é baixa para soluções diluídas ou de material orgânico e é alta para soluções de compostos inorgânicos podendo atingir valores ate 80 C Uma regra prática útil para o cálculo de evaporadores e a regra de Dühring que estabelece que a temperatura de ebulição de uma solução a dada concentração é uma função linear da temperatura de ebulição do solvente puro na mesma pressão Esse OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 59 comportamento pode ser observado na Figura 94 no caso de uma solução aquosa de sacarose Para amplas faixas de pressão a regra não e precisa no entanto para faixas menores verifica se o comportamento linear Figura 93 Tipos de evaporador a Circulaçao forçada b Circulaçao forçada com tubo submerso c Cristalizador tipo Oslo d Vertical de tubo curto e Calandria com agitaçao f Vertical de tubo longo g Vertical de tubo longo com recirculaçao h Filme descendente i j Evaporador de tubo horizontal C condensado F alimentaçao G corrente de gas respiro P produto H vapor de aquecimento V vapor ENTT separador Fonte Tadini 2018 p 499 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 60 CAPÍTULO 10 EVAPORAÇÃO EM MÚLTIPLOS EFEITOS 101 Evaporaçao em múltiplos efeitos Podese considerar de maneira simples que seria necessário condensar aproximadamente um quilograma de vapor proveniente de uma caldeira para evaporar um quilograma de vapor proveniente da solução que se quer concentrar Para a maioria das situações esse fato poderia inviabilizar economicamente o processo caso a evaporação fosse feita em simples efeito O método mais usual para a economia de vapor em sistemas de evaporação e de acoplar mais de um evaporador em um sistema de múltiplos efeitos aproveitandose o vapor gerado em um efeito como vapor de aquecimento em outro efeito O requisito básico para que o evaporado de um efeito possa ser usado como fonte de aquecimento no efeito subsequente é que este último opere com uma pressão mais baixa que a pressão do evaporado gerado no efeito anterior Ou seja a temperatura de condensação do primeiro deve ser maior do que a temperatura de ebulição do seguinte 102 Principais configurações de sistemas de evaporaçao em múltiplos efeitos A Figura 101 ilustra as principais configurações para sistemas de triplo efeito Nessas configurações o vapor proveniente do terceiro efeito e direcionado para um condensador barometrico que impõe nesse efeito uma pressão de evaporação abaixo da atmosférica Isso faz com que se estabeleça uma queda de pressão de operação gradativa entre os três efeitos isto e P1 P2 P3 Os evaporadores em múltiplos efeitos podem ser acoplados de diferentes formas O sistema mais usual e o de alimentação direta esquematizado na Figura 101a no qual as correntes de vapor e liquido são alimentadas no mesmo sentido Nesse caso geralmente e necessária apenas uma bomba para a transferência de liquido No sistema de alimentação inversa esquematizado na Figura 101b as correntes de vapor e liquido são alimentadas no sentido inverso ou seja o liquido diluido e alimentado ao último efeito e escoa em contracorrente Outros acoplamentos de evaporadores são tambem empregados como por exemplo o acoplamento de alimentação paralela ilustrado na Figura 101c OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 61 Figura 101 Configurações de sistema de evaporadores de múltiplo efeito a alimentaçao direta b alimentaçao inversa c alimentaçao paralela Fonte Tadini 2018 p 511 ANOTE ISSO Um evaporador é constituído por um trocador de calor e um dispositivo para separar a fase vapor do líquido em ebulição Esse processo possui um intenso gasto de energia sendo esta normalmente fornecida por uma alimentação de vapor de baixa pressão Por esse motivo os evaporadores normalmente são associados num sistema de evaporadores de múltiplo efeito para obter um processo com maior eficiência energética Nesse caso o vapor gerado de um evaporador é utilizado na alimentação de um segundo evaporador e assim por diante OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 62 103 Aspectos operacionais 1021 Remoçao de incondensaveis As principais fontes de incondensáveis são o ar presente no interior do evaporador no inicio da sua operação o ar externo que se infiltra no caso de operação à pressão inferior à atmosferica o gás desprendido da fase liquida pelo efeito da temperatura e pressão ou por decomposição de componentes Os incondensáveis devem ser removidos do sistema ou por ejetores a vapor ou bombas de vácuo 1032 Espuma A presença de espuma no espaço vapor e a necessidade de eliminá la devem ser consideradas no projeto e na operação de um evaporador A eliminação da espuma pode ser feita a conferindose uma alta velocidade ao liquido e lançando o contra uma chicana que quebra a espuma por impacto para esse caso recomenda se a utilização de evaporadores de circulação forçada e de tubos longos b empregando se agentes antiespumantes que alteram a tensão superficial do filme liquido 1033 Arraste de liquido O arraste e a remoção de liquido pelo vapor que escoa no evaporador Resulta da formação de espuma e da separação incompleta das gotículas de líquido presentes no vapor O arraste implica a perda de concentrado e no caso do sistema múltiplo efeito causa incrustação na superfície de aquecimento quando da condensação do vapor Evita se ou diminui se o arraste pela minimização da espuma e pelo uso de separadores líquido vapor Esses separadores podem ser colocados no espaço do vapor na forma de chicanas placas defletoras e separadores de goticulas São tambem empregados separadores centrífugos externos 1034 Incrustacão No caso de solutos com curva de solubilidade dita normal isto e a solubilidade aumenta com o aumento da temperatura tem se a precipitação do solido no seio do líquido e não na parede do tubo No caso de solutos com curva de solubilidade retrograda a solubilidade diminui com o aumento da temperatura ocorre o inverso a OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 63 precipitação ocorre na parede do tubo e muitas vezes forma uma incrustação resistente densa e fortemente aderente à parede diminuindo a capacidade de transferência de calor e consequentemente de evaporação Quando a incrustação não e muito severa os tubos podem ser limpos por metodos mecânicos ou quimicos Sendo a incrustação solúvel pode se remover o material aderido em operações periodicas com circulação do solvente aquecido Uma alternativa para trabalhar com uma solução de um soluto de solubilidade retrograda e efetuar um aquecimento da solução antes de alimentá la ao evaporador para precipitar e filtrar o soluto nesse caso geralmente um sal Evaporadores de circulação forçada operam de maneira eficiente com algumas soluções incrustantes 104 Condensadores de contato direto e indireto A manutenção de uma pressão baixa no espaço vapor e realizada à custa da condensação do vapor gerado No caso da condensação por contato direto utiliza se o condensador barometrico no qual a água de resfriamento e utilizada para resfriamento e condensação do vapor proveniente do evaporador Caso o condensado não possa ser misturado com a água de resfriamento a condensação deve ser realizada de modo indireto por meio de um trocador de calor do tipo casco tubos Na maioria dos casos empregam se os condensadores barometricos que são mais baratos e de simples construção A Figura 102 apresenta um esquema de um condensador barométrico O condensado é removido pela ação de uma perna barométrica tubo de aproximadamente 10 m de altura na qual o nível é autorregulável pela diferença entre a pressão interna e a atmosférica O pé direito necessário para o condensador completo e de 12 metros A eficiência do condensador depende da vazão e da temperatura da água de resfriamentorefrigeração A temperatura da água de resfriamento TR depende das condições locais e deve ser um pouco inferior à de saida do condensado para garantir e eficiência da transferência de calor Segundo Billet 1989 a temperatura da água que deixa o condensador TC que resulta da mistura do condensado com a água de resfriamento deve ser inferior à temperatura do vapor TV em 6 a 8 C para garantir uma operação econômica OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 64 Figura 102 Esquema de um condensador barometrico Fonte Tadini 2018 p 518 O consumo de água de resfriamento é calculado a partir do balanço de energia no condensador barometrico Dados obtidos de Billet 1989 indicam que para uma operação à pressão atmosferica correspondendo a um vapor a 100 C o consumo de água de resfriamento a 25 C e de 75 kg kg1 de vapor 105 Capacidade de evaporacão e economia Definese capacidade de evaporação como sendo a quantidade em massa de solvente evaporado por unidade de tempo A capacidade de evaporação é uma função complexa do coeficiente global de transferência de calor da área de transferência de calor do potencial termico e das propriedades das correntes envolvidas Empregase o termo economia para expressar a quantidade em massa de vapor de solvente obtido em uma instalação de evaporação por massa de vapor de aquecimento consumido na instalação A economia e fortemente afetada pelo número de efeitos de evaporação e também pelos processos de reaproveitamento do vapor por recompressão mecânica ou termica alem dos fatores que afetam a capacidade OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 65 106 Principio de recompressao termica e mecanica de vapor A entalpia do vapor proveniente de uma solução em evaporação pode ser reaproveitada por meio de sua recompressão térmica ou mecânica O princípio da recompressão térmica está ilustrado na Figura 103 Utiliza se um ejetor de vapor no qual com auxilio de uma corrente a alta pressão 3 obtem se uma mistura 2 a partir de uma fração do vapor gerado 1 no proprio evaporador em uma pressão cuja temperatura de condensação é maior que a do corpo do evaporador Viabiliza se assim a utilização desse vapor 2 no sistema de aquecimento Na recompressão mecânica ilustrada na Figura 104 o vapor 1 proveniente do evaporador e comprimido por meio de um compressor de deslocamento positivo no caso de pequenas instalações ou compressor centrifugo no caso de instalações de maior porte O vapor que sai do compressor e misturado com o vapor de reposição obtendo se assim a corrente 2 que e usada como vapor de aquecimento do evaporador Trata se de uma operação economicamente vantajosa em cenários de alto custo de combustivel e baixo custo de energia eletrica No entanto deve se considerar o custo de investimento e de manutenção Algumas das aplicações da compressão mecânica são em evaporadores para concentração de sucos de frutas de licor negro da indústria de celulose e em evaporadores de filme descendente Figura 103 Recompressão termica Fonte Tadini 2018 p 519 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 66 Figura 104 Recompressao mecanica Fonte Tadini 2018 p 520 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 67 CAPÍTULO 11 SECAGEM TRATAMENTO TÉRMICO DE ALIMENTOS CONSERVAÇÃO DE ALIMENTOS PELO USO DO CALOR 111 Introducão O início do conhecimento sobre processos térmicos envolvendo alimentos remonta aos tempos das guerras napoleônicas 1799 a 1815 Em 1805 um confeiteiro francês Nicolas Appert desenvolveu um processo de conservação que não era fundamentado em nenhum fenômeno natural conhecido na época Appert descobriu que ao colocar alimentos em vidros com algum liquido lacrando os com rolha e cera e fervendo os em banho maria por determinado periodo conseguia aumentar a vida de prateleira desses alimentos O processo de preservação criado pelo confeiteiro francês é semelhante ao que ainda nos dias de hoje e empregado para a produção de conservas ou enlatados As pesquisas de Appert tiveram como elemento desencadeador um concurso lançado por Napoleão para premiar quem desenvolvesse um processo que produzisse um alimento que pudesse ser transportado por seus soldados para as frentes de batalha distantes de seu local de origem Niccolas Appert venceu o concurso ganhando uma grande soma em dinheiro o prêmio foi de 12 mil francos Naquela epoca ele acreditava que a preservação do alimento devia se à ausência de ar no interior do frasco Appert recebeu a recompensa apos 10 anos de estudos A evolução do processo para a conservação dos alimentos em latas foi muito rápida Em 1810 Peter Durand recebeu na Inglaterra patentes para recipientes de vidro e de metal para armazenamento de alimentos Os recipientes metálicos de placa de estanho deram origem ao que conhecemos hoje como latas Assim as primeiras fábricas de latas para conserva surgiram nos Estados Unidos na decada de 1820 em Boston e em Nova York A hipotese da eliminação de ar feita por Appert foi derrubada por Pasteur na segunda metade do seculo XIX Louis Pasteur filho de um oficial condecorado do exercito de OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 68 Napoleão se interessou pelos problemas das grandes indústrias de vinho e cerveja da França cujos produtos se decompunham e azedavam durante o armazenamento Pasteur relatou à Academia de Ciências da França em 1864 que a causa da decomposição do vinho e da cerveja era uma vegetação microscopica Em condições favoráveis essa vegetação se desenvolvia e decompunha os alimentos No entanto vinho fervido e selado em jarras com tampão de algodão não azedava Assim Pasteur provou que os pequenos seres vivos que já haviam sido identificados por Leeuwenhoek em 1675 eram os responsáveis pela deterioração nos alimentos e doenças no homem As pesquisas de Pasteur demonstraram que o efeito da temperatura na preservação dos alimentos era na realidade causado por sua ação sobre os microrganismos observando que uma temperatura de 62 C a 63 C por um periodo de 1h30 era suficiente para eliminar os microrganismos presentes nos sucos de frutas Esse processo que recebeu o nome de pasteurização aumentou consideravelmente a qualidade dos vinhos franceses principal indústria francesa na epoca concedendo a Pasteur um grande prestigio junto ao governo de seu pais Bylund 1995 Ao relacionar a presença de microrganismos com a deterioração dos alimentos e com a geração de produtos pela fermentação com esses mesmos seres vivos Pasteur não somente resolveu o problema dos produtores de vinho e cerveja de seu pais mas criou a fundamentação teorica relacionada com os processos termicos Atualmente o conceito de tratamento termico dos alimentos baseia se no emprego de calor para aumentar a temperatura do alimento e consequentemente destruir os microrganismos patogênicos eou deterioradores Esse conceito não e so aplicado aos alimentos enlatados mas em qualquer processo em que o calor seja aplicado para inativar a entidade biologica de interesse seja um microrganismo ou uma enzima A pasteurização começou a ser largamente empregada ao final do seculo XIX como tratamento termico brando no leite para destruir microrganismos como bacterias vegetativas fungos e leveduras que poderiam causar deterioração ou mesmo doenças como tuberculose ou tifo Durante a Primeira Guerra Mundial ocorreu o primeiro grande surto de industrialização e os pesquisadores do setor alimentício foram instados a desenvolver processos para a produção de alimentos industrializados em grande escala com o que se potencializaram as chances de ocorrências de danos à saúde pública ocasionados por alimentos Como consequência as pesquisas de alimentos e saúde pública foram amplamente intensificadas OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 69 A Segunda Guerra Mundial foi a primeira de proporções globais e provocou grandes mudanças na sociedade Entre elas destaca se a inserção da mulher no mercado produtivo retirando a do lar onde era a responsável pela preparação dos alimentos Com isso novos metodos de processamento de alimentos tiveram de ser pesquisados pois alem de não serem deterioráveis e de serem transportáveis os alimentos tambem deveriam ser facilmente preparados libertando as mulheres da longa jornada no preparo das refeições familiares 112 Conservacão de alimentos pelo uso do calor O uso de calor na indústria de alimentos tem como objetivo destruir parcial ou totalmente os agentes deterioradores eou patogênicos existentes no alimento por meio da alta temperatura Os principais métodos atualmente utilizados para conservação de alimentos usando calor são pasteurização branqueamento apertização e esterilização Como dito anteriormente o processo de pasteurização foi nomeado apos Louis Pasteur ter descoberto que microrganismos deterioradores de vinho poderiam ser destruídos pelo emprego de calor em temperaturas abaixo do ponto de ebulição Esse processo foi posteriormente aplicado no leite e permanece como a operação mais importante no beneficiamento do leite para consumo humano Bylund 1995 De acordo com a International Dairy Federation IDF a pasteurização e um processo aplicado ao leite ou produto derivado com o objetivo de minimizar possíveis danos à saúde provocados por microrganismos patogênicos associados ao leite por um tratamento termico que cause minimas mudanças quimicas fisicas e sensoriais no produto IDF 1986 O conhecimento do leite como veículo de microrganismos patogênicos que causam doenças como tuberculose levou ao desenvolvimento do processo baixa temperatura longo tempo em batelada Esse processo foi primeiramente instalado por Charles North em 1907 em Nova York Estados Unidos Bylund 1995 sendo atualmente a base do processo pasteurização lenta para o leite que emprega temperaturas entre 630 C e 656 C por 30 min Esse processo e ainda empregado particularmente por produtores de pequena escala É um processo relativamente lento sendo os tempos de aquecimento e resfriamento demasiadamente longos o tempo total da batelada pode ser de ate duas horas A vantagem do processo em batelada e a sua flexibilidade isto e facilmente pode se mudar o produto OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 70 Para maiores produções o processo continuo tornou se mais vantajoso e atualmente e largamente empregado A invenção do trocador de calor a placas TCP juntamente com o uso da válvula diversora de fluxo e do tubo de retenção tornou o altamente competitivo com grandes economias de tempo de processo e de consumo de energia O uso do TCP foi intensificado não so para processos continuos de pasteurização de leite como tambem para pasteurizar diversos outros alimentos liquidos No processo continuo diferente de processos em batelada o alimento liquido e submetido ao tratamento termico alta temperatura curto tempo do inglês high temperature short time HTST que aumenta a sua qualidade pela redução das mudanças quimicas uma vez que o alimento e submetido tipicamente a temperaturas menores que 100 C em tempos de retenção muito curtos Tadini 2009 Em 1851 Chevalier e Appert inventaram a autoclave ou retorta que diminuia o perigo envolvido na operação de vasos pressurizados com vapor na operação de apertização tratamento termico de alimentos hermeticamente fechados Com essa invenção dois novos conceitos foram introduzidos que alguns alimentos podiam ser processados em temperaturas mais altas por tempos mais curtos e que a temperatura de ebulição da água podia ser aumentada por meio da pressurização sem a necessidade da adição de sal Vale destacar que desde a descoberta de Appert o termo hermetico tem sido empregado com o significado de selado de modo a não permitir entrada de qualquer microrganismo eou material como por exemplo a transferência de gases atraves das paredes do recipiente Desrosier 1984 No entanto mesmo alimentos enlatados e processados a temperaturas em torno de 115 C se decompunham depois de certo tempo Em consequência disso no inicio do seculo XX houve um expressivo aumento de pesquisadores avaliando o processo de enlatamento Nessa época informações sobre a resistência de esporos bacterianos e sobre a penetração de calor atraves do conteúdo de latas foram obtidas e em 1920 C Olin Ball e W D Bigelow foram os cientistas que primeiramente apresentaram os fundamentos do processamento térmico ISTO ACONTECE NA PRÁTICA As vantagens associadas à secagem dos alimentos como método de conservação estão totalmente atreladas à superação da insegurança alimentar a nível global e nacional A insegurança alimentar corresponde à situação de comprometimento da qualidade nutricional e quantidade dos alimentos consumidos a nível moderado ou grave UNICEF 2021 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 71 113 Princípios do processamento termico É sabido que produtos alimentícios contêm muitos microrganismos que podem causar sua deterioração doenças e ate a morte Para ser seguro sob o aspecto de saúde um metodo de preservação deve ser empregado A maior parte dos metodos aplicados a muitos tipos de alimentos é derivada do conhecido processamento térmico esterilização desenvolvido por Appert Como já comentado essa tecnica tipicamente envolve o enchimento em um recipiente hermético que é inserido em uma autoclave a uma dada temperatura por certo tempo Autoclaves são vasos de pressão que podem ser selados e inundados com vapor saturado sob pressão para algumas aplicações especiais água ou uma mistura de vapor e ar podem ser utilizadas A condensação de vapor a alta temperatura fornece a energia termica necessária à esterilização O uso moderno do conceito de processamento térmico emprega o conhecimento sobre os microrganismos e as reações bioquimicas envolvidos no alimento de modo a que a indústria de alimentos possa oferecer ao consumidor final um produto seguro saboroso e nutritivo Essa operação unitária enfatiza os aspectos de transferência de calor mas com igual importância os conhecimentos de microbiologia são necessários para o adequado dimensionamento do processo e dos equipamentos envolvidos Assim uma breve descrição dos aspectos envolvendo os microrganismos é apresentada a seguir Wilhelm et al 2004 114 Microrganismos A ocorrência de microrganismos na indústria de alimentos e muito familiar pois eles desempenham um papel importante na produção de alguns alimentos como queijos bebidas alcoolicas e iogurte No entanto existem outros correntes nas materias primas que em razão de suas atividades metabolicas causam deterioração Os microrganismos são divididos em muitas classes Leveduras fungos e bacterias são geralmente os grandes causadores de deterioração nos alimentos As bacterias por sua vez são divididas em três tipos de acordo com o requerimento de oxigênio para o seu metabolismo i aerobias restritas que requerem a presença do oxigênio molecular para o seu desenvolvimento e sobrevivência ii anaerobias facultativas que pertencem ao grupo que normalmente se desenvolve melhor na presença de oxigênio mas tambem se desenvolve na sua ausência OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 72 iii anaerobias restritas que são aquelas que se desenvolvem apenas na ausência de oxigênio A capacidade de algumas bactérias se desenvolverem sem oxigênio é um fator chave na deterioração dos alimentos especialmente os enlatados Estes apresentam niveis muito baixos de oxigênio molecular propiciando um ambiente favorável ao desenvolvimento de microrganismos anaerobicos restritos ou facultativos Alem disso existem bacterias que produzem esporos altamente resistentes ao tratamento termico Esporos são definidos como o resultado de reprodução ou do estágio latente que surge em condições desfavoráveis de crescimento Os fungos tambem produzem esporos Tanto as leveduras que são fungos unicelulares como os fungos filamentosos são importantes agentes deterioradores em alimentos com um nível alto de acidez e em ambiente de baixa atividade de água Entretanto a sobrevivência de bacterias especialmente em alimentos de baixa acidez e usualmente o grande desafio na indústria de processamento de alimentos Os microrganismos são classificados de acordo com a faixa de temperatura em que tem o seu crescimento otimo As três principais categorias de microrganismos são psicrofilos mesofilos e termofilos Os psicrofilos crescem na faixa de temperatura entre 10 C e 10 C e são os responsáveis pela deterioração de alimentos sob refrigeração Os mesofilos crescem bem entre 10 C e 40 C a maioria dos microrganismos se encontra nessa categoria Os termofilos ou termofilicos sobrevivem e frequentemente crescem vigorosamente na faixa de temperatura entre 40 C e 80 C estes normalmente são motivo de grande preocupação na indústria de alimentos principalmente em razão de sua resistência térmica a altas temperaturas Um processo térmico adequado é necessário para assegurar a destruição de microrganismos termofilos e esporos Existem muitos microrganismos deterioradores eou patogênicos de alimentos no nosso ambiente Alguns de maior importância são i Clostridium botulinum é o organismo deteriorador cuja toxina é a mais letal existente no mundo sendo a responsável pelo envenenamento por alimentos conhecido como botulismo Esse organismo normalmente é corrente no solo e na água na forma de celulas vegetativas não nocivas Entretanto na ausência de ar torna se mortal pois em poucos dias e em condições adequadas o C botulinum pode produzir a toxina É encontrado principalmente em alimentos enlatados e engarrafados que foram submetidos a um processo termico inadequado OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 73 ii Salmonella spp e um organismo comumente associado a frutos do mar aves e ovos crus Procedimentos padrões restritos são impostos à indústria de alimentos visando a inocuidade dos alimentos com respeito a esse microrganismo iii Shigella spp frequentemente encontrado em água frutas e vegetais frescos que foram expostos a contaminação fecal iv Escherichia coli enteropatogênica e a mais amplamente conhecida das bacterias e dela existem muitas cepas Normalmente reside no intestino de animais A indústria de alimentos tem como preocupação primária a contaminação de carne de boi e outros produtos subcozidos ou ainda os alimentos crus FAO 2005 A contaminação em alimentos pela E coli tem recentemente despertado interesse por causa da evolução de novas cepas que causam doenças e ate mesmo a morte bacterias emergentes 115 Princípios A alta temperatura e letal aos microrganismos e às enzimas ambos indicadores biologicos da eficiência do processo termico que apresentam uma tolerância especifica Durante um processo termico como a pasteurização e a esterilização a taxa de destruição e geralmente logaritmica do mesmo modo como e a taxa de crescimento microbiano Assim o indicador biologico e sujeito à destruição termica a uma taxa proporcional à quantidade inicial presente O processo e dependente tanto da temperatura quanto do tempo de exposição a essa temperatura para que seja atingido o nivel de letalidade desejado Assim o adequado cálculo do processo termico depende do conhecimento do número inicial dos microrganismos por unidade de volume ou de massa N0 ou da atividade enzimática inicial de interesse do nivel aceitável do número de microrganismos que podem permanecer viáveis apos o processo N nesse caso são os microrganismos deterioradores e não os patogênicos ou da atividade residual da enzima e do binômio tempo temperatura necessário para destruir o microrganismo ou enzima eleito como o indicador biologico do processo Denomina se binômio tempo temperatura o par escolhido de temperatura de processo e tempo de exposição para o tratamento térmico Os microrganismos são resistentes ao calor por uma série de razões As três mais importantes variáveis que contribuem para a resistência térmica são o tipo de microrganismo as condições do meio e as condições que são presentes durante o tratamento termico Como conhecido os microrganismos apresentam diferentes OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 74 habilidades de resistir à alta temperatura e os esporos apresentam alta resistência termica se comparados com as celulas vegetativas o que os torna de dificil destruição A condição do alimento em que os microrganismos e os esporos presentes se encontram e determinante na resistência termica durante o processo O pH do meio e um importante parâmetro para a resistência de bacterias deterioradoras leveduras e fungos As bacterias preferem um nivel de acidez proximo do neutro enquanto fungos e leveduras se desenvolvem melhor em condições ácidas Esporos são mais resistentes ao calor úmido do que ao calor seco enquanto as bacterias apresentam comportamento oposto Alem disso os microrganismos apresentam uma resistência ao calor mais alta em alimentos ricos em gorduras proteinas e sacarose Nos proximos capitulos da disciplina serão considerados os tratamentos termicos de alimentos que envolvem a esterilização e a pasteurização tanto em batelada quanto na forma contínua OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 75 CAPÍTULO 12 TRATAMENTO TÉRMICO POR ESTERILIZAÇÃO 121 Tratamento termico por esterilizacão Considera se tradicionalmente que a destruição térmica de microrganismos ocorre seguindo a taxa semi logarítmica de primeira ordem Isso implica que a população de microrganismos e dividida por 10 em intervalos regulares de tempo Portanto teoricamente um produto estéril não pode ser produzido independente do tempo do processo Se fosse possivel ser produzido certamente seria um produto inaceitável ou inferior em qualidade Industrialmente o processo térmico é projetado para fornecer um produto conhecido como comercialmente esteril ou produto estável O conceito de comercialmente esteril foi definido pela United States Food and Drug Administration FDA orgão regulador dos Estados Unidos e se refere a condições atingidas em um produto pela aplicação do calor que o torne livre de microrganismos que são capazes de se reproduzirem no alimento sob condições normais de armazenamento e distribuição O correto projeto de um processo termico portanto requer o conhecimento do impacto do aquecimento sobre o produto e do microrganismo ou enzima presente no alimento eleito como indicador do processo Assim a gravidade de qualquer processo termico deve ser conhecida e depende de fatores como i as caracteristicas fisicas do produto alimenticio incluindo as propriedades termofisicas e a forma e o tamanho da embalagem ii o tipo do indicador biologico do processo microrganismo ou enzima que está presente no alimento e a sua resistência termica iii o pH a atividade de água aw e o conteúdo de sal no alimento Como os esporos do C botulinum são muito resistentes ao calor eles são normalmente considerados como o indicador biologico do processo Alguns microrganismos deterioradores não patogênicos apresentam uma resistência termica superior à do C botulinum e portanto muitas vezes são esses considerados para dimensionar o processo e garantir a inocuidade do alimento com respeito ao botulismo OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 76 Outro aspecto importante e que mudanças intrinsecas no alimento como mudança do conteúdo de sal pH e atividade de água afetam a sobrevivência dos microrganismos Por conta disso a FDA 1996 classifica os alimentos em i alimentos ácidos ii alimentos acidificados e iii alimentos de baixa acidez Os alimentos ácidos são aqueles que têm um pH natural 46 Os alimentos acidificados são naturalmente alimentos de baixa acidez com aw 085 por exemplo feijão pepino couve flor pimenta frutas tropicais e peixe que são acidificados por adição de ácidos ate atingir um pH de equilibrio 46 Os alimentos de baixa acidez são definidos como aqueles que apresentam um pH de equilibrio 46 e aw 085 Alguns trabalhos citados na literatura revelam que esporos do C botulinum não germinam e não se desenvolvem no alimento com pH 48 mas para fornecer uma suficiente condição tampão um pH de 46 tem sido geralmente aceito como o ponto no qual o C botulinum não se desenvolve para produzir a toxina de modo que o pH 46 representa a linha limitante entre alimentos de baixa e de alta acidez Awuah Ramaswamy e Economides 2007 Assim quando se projeta um processo termico de alimentos de baixa acidez pH 46 a atenção deve ser dada ao C botulinum altamente resistente ao calor com formato de cocos formador de esporos que cresce vigorosamente sob condições anaerobicas para produzir a toxina botulinica Nesses casos um produto e considerado comercialmente estável se os esporos do C botulinum são inativados em niveis aceitos por requerimentos regulatorios No entanto como já comentado anteriormente outros esporos resistentes ao calor geralmente referenciados como termofilos como Clostridium thermosaccolyaticum Bacillus stearothermophilus e Bacillus thermoacidurans apresentam potencial para causar deterioração e perdas econômicas quando produtos enlatados processados são armazenados sob condições inadequadas de temperatura Entretanto se esses produtos são armazenados em temperaturas inferiores a 30 C nenhuma consequência ocorre com respeito aos termofilos presentes OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 77 ISTO ACONTECE NA PRÁTICA A qualidade do leite cru é fundamental para que o produto suporte altas temperaturas O maior desafio aqui é a estabilidade térmica das proteínas que podem causar problemas de sedimentação e gelatinização Para saber se o leite vai suportar o processo térmico o teste do álcool pode ser usado de maneira estratégica Ele é confiável para predizer sobre a estabilidade térmica das caseínas principalmente em plantas que usam o sistema UHT direto Portanto o teste do álcool pode ser útil quando o objetivo é direcionar o destino do leite cru em um laticínio Devido a ampla variedade de combinações e processos térmicos é fundamental que a própria indústria tenha o controle e a autonomia para definir se o teste do álcool é um bom indicador para os seus processos tecnológicos 122 Cinetica de inativacão termica O conhecimento sobre os microrganismos e sua relação com vários alimentos fornece os parâmetros para calcular os tempos de processo para produzir um produto comercialmente esteril Uma curva de morte térmica de um processo de esterilização a temperatura constante é mostrada na Figura 121 Pode se ver que os pontos experimentais do número de unidades formadoras de colônias UFC por grama de produto se alinham como uma reta em um gráfico semilogaritmico Isso indica que a taxa de decrescimo de organismos viáveis e proporcional ao número de organismos presentes segundo uma cinética de primeira ordem A reta ajustada na Figura 121 indica que a cada intervalo de 368 min a população de microrganismos e dividida por um fator de 10 ou seja reduzida em 90 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 78 Figura 121 Curva de morte termica de um processo de esterilizacão a temperatura constante Fonte Tadini 2018 p 570 Se o tempo requerido para destruir um ciclo logaritmico completo 90 e conhecido e a redução termica desejada e da ordem de 12 ciclos logaritmicos então o tempo requerido total pode ser calculado O processo térmico de esterilização comercial e usualmente fundamentado no conceito 12D ou seja uma redução de 12 ciclos logaritmicos do organismo de interesse em relação à população inicial presente Para obter uma redução de 12 ciclos logarítmicos no caso do microrganismo da Figura 121 o tempo de processamento seria de 12 368 min 442 min Vários parâmetros são importantes para dimensionar o processo termico e definir a taxa de letalidade térmica O valor de D é uma medida da resistência térmica de um microrganismo ou enzima e e conhecido como tempo de redução decimal É definido como o tempo a uma dada temperatura constante requerido para reduzir em um ciclo logaritmico 90 o número de microrganismos ou a atividade enzimática de interesse Esse conceito deriva da hipotese que a taxa de letalidade termica obedece a uma cinetica de primeira ordem Toledo 2007 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 79 No caso do indicador biologico de processo ser uma suspensão de microrganismos mantida a uma temperatura constante a diminuição do número de organismos viáveis N segue uma cinetica de primeira ordem e a Equação 121 representa a taxa de letalidade térmica Equação 121 Em que N e o número de microrganismos viáveis UFC m3 ou UFC g1 k e a constante de velocidade de primeira ordem s1 e t e o tempo do processo termico s É possivel calcular a mudança sobre N em um dado periodo de tempo rearranjando separando as variáveis e integrando a Equação 121 note que em t 0 N N0 Equação 122 Para expressar a relação da Equação 122 na forma de um gráfico semilogaritmico linear como o da Figura 121 e necessário converter o logaritmo natural para o logaritmo comum base decimal que e facilmente realizado notando que lnx ln10 logx 23026 logx de forma que a Equação 122 pode ser expressa em escala logarítmica base decimal Equação 123 Ou ainda Equação 124 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 80 A Equação 124 apresenta o parâmetro cinetico D o tempo de redução decimal ou seja o tempo requerido para reduzir a população viável por um fator de 10 Das Equações 123 e 124 a igualdade D 23026k e verificada Assim o tempo de redução decimal e a constante de velocidade de primeira ordem podem ser facilmente convertidos A Figura 122 ilustra graficamente como o valor de D pode ser determinado lembrando que ele representa o tempo requerido para reduzir em um ciclo logaritmico o número de sobreviventes Note que fazendo NN0 01 na Equação 124 tem se t D Note tambem que um ciclo logaritmico completo representa um decrescimo de 90 de 100 para 10 de 10 para 1 de 1 para 01 etc então uma redução 2D e uma redução de 99 uma redução de 3D e uma redução de 999 e assim por diante O grau de esterilização de um processo térmico sobre a população de um microrganismo e representado pelo valor de esterilização SV adimensional abreviado de Sterilization Value que representa o número de reduções decimais sobre N Equação 125 Um valor de esterilização de SV 12 tambem representado como 12D significa uma redução decimal de 12 ciclos logaritmicos no número de esporos ou celulas vegetativas de uma especifica cepa de um microrganismo presente Outra variável muito utilizada para representar o grau de esterilização de um processo termico e o conceito F que representa o tempo necessário de tratamento termico para atingir um dado valor de SV e e definido a partir das Equações 124 e 125 fazendo t F Equação 126 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 81 Figura 122 Número de sobreviventes N em funçao do tempo de processo t a uma dada temperatura constante indicando o valor de D 165 min 491 326 relativo ao tempo necessario para uma reduçao de 90 da populaçao nessa temperatura Fonte Tadini 2018 p 572 Por exemplo considere que um processo desenhado para reduzir o número de esporos de um especifico microrganismo por seis reduções decimais F 6D e aplicado em ervilhas enlatadas A concentração inicial desses esporos é de 102 por lata O processo termico deverá reduzir o número de esporos desse microrganismo nas ervilhas a N 106 N0 104 esporos por lata Equação 125 Isso e equivalente 1104 latasesporo ou seja um esporo viável em 10 mil latas Um valor de esterilização de 12D reduziria o número do microrganismo especificado a N 1012 N0 1010 organismos viáveis por lata com a probabilidade de um microrganismo sobrevivente em 1010 latas O valor de esterilização de 12D tem sido o valor padrão utilizado para a destruição do C botulinum Importante destacar que o valor de D de um indicador biologico e válido para uma dada temperatura de processo ou seja para um processo isotermico Quando ocorre um processo como por exemplo a esterilização em batelada no qual a temperatura do alimento muda ao longo do tempo o adequado dimensionamento desse processo OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 82 requer o conhecimento da dependência de D com a temperatura Essa dependência é determinada a partir do conhecimento do valor de D para diferentes temperaturas Uma maneira de quantificar a dependência de D com a temperatura e por meio do parâmetro z C Esse parâmetro e definido como o intervalo de temperatura requerido para uma mudança do valor de D por um fator de 10 sendo representado matematicamente em uma forma análoga à da Equação 124 Equação 127 em que D e o tempo de redução decimal s ou min a uma temperatura T C ou K e Dref é o tempo de redução decimal conhecido s ou min a uma dada temperatura de referência Tref C ou K Uma alternativa ao modelo Dz para descrever a dependência da temperatura e a clássica equação de Arrhenius referida como o modelo kEa que relaciona a constante de velocidade de primeira ordem k com o reciproco da temperatura absoluta T K Equação 128a Equação 128b em que k é a constante cinética s1 a uma temperatura absoluta T K kref é a constante cinética conhecida s1 a uma temperatura de referência absoluta Tref K Ea é a energia de ativação J mol1 e R e a constante universal dos gases 8314 J mol1 K1 Ambos os modelos Dz e kEa têm sido amplamente utilizados para descrever o efeito da temperatura em análise de dados de cinética de inativação de microrganismos Entretanto deve ser reconhecido que esses conceitos tratam de maneira diferente a dependência da temperatura sobre o parâmetro cinetico como pode se notar ao comparar as Equações 127 e 128a Tem sido demonstrado que a interconversão entre os parâmetros Ea e z de um conceito para outro fora do intervalo de temperatura obtido experimentalmente pode levar a discrepâncias Conversões com mínimos erros OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 83 de dados da literatura foram obtidas da seguinte equação obtida pelas Equações 127 e 128b lembrando que D 23026k Equação 129 em que Tmín e Tmáx representam as temperaturas absolutas mínima e máxima do conjunto de dados experimentais respectivamente K Na Figura 123 é ilustrado como o valor de z pode ser determinado da reta obtida de uma curva semilogaritmica de D em relação à temperatura Por vezes em grandes intervalos de temperatura uma reta não pode ser obtida satisfatoriamente sendo o modelo Dz recomendado nesses casos para intervalos pequenos de temperatura Importante lembrar que os modelos Dz e kEa podem ser usados para representar a destruição de microrganismos a inativação de enzimas a degradação de vitaminas ou outras alterações provocadas pelo processo termico sobre o alimento Para isso basta substituir a variável N UFC g1 por uma variável especifica apropriada como por exemplo a atividade enzimática AE U L1 ou a concentração volumétrica c de uma vitamina kg m3 Valores de z pequenos como de 5 C a 10 C indicam uma forte dependência do indicador biologico com relação à temperatura enquanto valores maiores como de 20 C a 25 C indicam que grandes mudanças da temperatura são necessárias para alterar o tempo de redução decimal D Um valor de 10 C para z e tipico para bacterias formadoras de esporos Mudanças quimicas induzidas pelo calor como a degradação de vitaminas e pigmentos apresentam valores de z superiores aos dos microrganismos Na Figura 124 são apresentadas condições de tempo e temperatura que fornecem o mesmo valor de esterilização SV sobre um microrganismo patogênico Pode se notar que quanto maior a temperatura do processo termico menor deve ser o tempo de exposição para ter o mesmo resultado Na região acima da reta a letalidade e maior SV aumenta e na região abaixo da reta a letalidade e menor do que a desejada portanto essa região deve ser evitada Analogamente na Figura 124 e apresentada uma reta referente à degradação de uma vitamina considerando um valor limite para a redução em sua concentração Na região acima da reta a degradação na vitamina e inaceitavelmente alta perda de qualidade Em razão da maior dependência da temperatura sobre a degradação da vitamina a inclinação de sua reta e superior em valor absoluto à da reta referente à destruição do microrganismo Dessa maneira e evidente que em temperaturas mais altas e tempos menores uma região existe área sombreada na qual os microrganismos podem ser destruidos enquanto a deterioração das vitaminas fica dentro do limite aceitável OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 84 Figura 123 Variaçao do valor de D em funçao da temperatura indicando o valor de z igual a 100 oC 1227 1127 relativo a diferença de temperatura necessaria para aumentar ou diminuir o valor de D por um fator de 10 Fonte Tadini 2018 p 574 Figura 124 Mudancas relativas no binomio tempo temperatura para a destruicão termica de microrganismos e vitaminas no leite Processos a alta temperatura curto tempo area sombreada destroem os microrganismos e preservam as vitaminas Fonte Tadini 2018 p 575 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 85 Na Figura 124 condições de processo adequadas à obtenção de um produto processado seguro sob o aspecto de saúde pública com máxima retenção nutricional no caso a preservação das vitaminas existentes são indicadas zona ideal Outro aspecto importante que deve ser ressaltado e que uma vez que na maioria dos processos de destruição microbiana ou inativação enzimática a taxa de letalidade térmica obedece à cinetica de primeira ordem o número de organismos sobreviventes ou a atividade enzimática residual nunca serão nulos Assim o grande desafio do engenheiro de processos é dimensionar os parâmetros do tratamento térmico levando em conta ao mesmo tempo a inocuidade do alimento e o nível de retenção dos componentes termolábeis como os nutrientes empregando metodos que envolvam os vários fatores que afetam a cinetica de destruição de esporos microbianos enzimas e vitaminas bem como a perda de fatores de qualidade como cor textura e flavor 123 Letalidade termica Partindo do conhecimento da relação entre tempo e temperatura requeridos para atingir certo grau de esterilização o conceito de letalidade e introduzido Inicialmente e necessário definir F0 como o tempo necessário na temperatura de referência Tref 1211 C 2500 F para atingir o valor de esterilização SV desejado No entanto tambem e necessário empregar um metodo para calcular o tempo necessário para atingir a esterilização desejada em outras temperaturas F Considere na Figura 125 dados de morte termica de um microrganismo hipotetico para um valor de esterilização de 12D Para uma dada temperatura de tratamento térmico no eixo x tem se no eixo y o tempo do tratamento termico F para obter SV 12 Partindo da equação geral de uma reta y mx b e possivel obter a equação que descreve a relação de F com a temperatura Como o eixo y e logaritmico y logF A tangente da reta m e ΔyΔx e para qualquer ciclo logaritmico completo Δy log10 1 O valor correspondente a é a mudança de temperatura associada a um ciclo logarítmico completo esse valor foi definido anteriormente como z Substituindo na equação de reta obtém se Equação 1210 Portanto a tangente da linha reta e 1z Dessa curva e possivel obter diretamente o valor do tempo de tratamento termico F correspondente à temperatura de referência OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 86 Tref 1211 C que e usualmente denominado F0 Substituindo na Equação 1210 e resolvendo para obter b e substituindo b na Equação 1210 Equação 1211 Combinando os termos a forma comum da equação relacionando F com F0 é obtida Equação 1212a Equação 1212b Figura 125 Curva de morte termica de um microrganismo hipotetico com indicaçao do tempo necessario F0 para atingir um valor de esterilizaçao na temperatura de referencia Tref 1211 C e respectivo z Fonte Tadini 2018 p 577 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 87 em que F é o tempo necessário min para atingir um dado grau de esterilização a temperatura constante T C F0 é o tempo necessário min para atingir o mesmo valor de esterilização a Tref 1211 C e z e o intervalo de temperatura requerido para uma mudança do valor de D de um fator de 10 C As Equações 1212a e 1212b são formas de expressar a letalidade do processo Alternativamente pode ser adotada uma temperatura de referência diferente do padrão de 1211 C 2500 F Nesse caso as Equações 1212a e 1212b teriam o seguinte formato genérico Equação 1213a Equação 1213b Uma maneira alternativa de obter a Equação 1213a seria isolar o parâmetro D FSV na Equação 126 e depois substitui lo na Equação 127 Se forem conhecidos os valores de D e de z de um dado microrganismo em um alimento e possivel determinar o tempo de tratamento termico daquele produto F a dada temperatura para atingir um valor de esterilização desejado SV Por exemplo para determinar F0 tempo de tratamento termico na temperatura de referência de 1211 C o primeiro passo e calcular o valor de D nessa temperatura Para isso utiliza se a Equação 127 com Tref 1211 C Em seguida utiliza se a Equação 126 para a condição de 1211 C Equação 1214 lembrando que o valor de esterilização SV de um processo por exemplo 12D e definido como o número de reduções decimais e notando que D representa o tempo de redução decimal Outro caminho seria calcular o tempo de tratamento térmico na temperatura de referência do valor de D que e conhecido usando a Equação 126 e depois converter F para F0 por meio da Equação 1212b OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 88 CAPÍTULO 13 TRATAMENTO TÉRMICO DE ALIMENTOS TRATAMENTO TÉRMICO EM PRODUTOS ENLATADOS 131 Tratamento termico em produtos enlatados O tratamento térmico por esterilização abordado até aqui foi sempre fundamentado em temperatura constante e uniforme ou seja tem base em um processo idealizado em que se assume que o produto é aquecido instantaneamente e por igual até a temperatura desejada para ser resfriado instantaneamente apos o tempo de processo requerido o que não ocorre em condições reais No entanto esses processos idealizados são importantes para o entendimento de como os dados cinéticos podem ser empregados diretamente para determinar o tempo de processo a qualquer temperatura Existem na prática processos de esterilização comercial de alimentos envasados usando autoclaves e de alimentos líquidos usando trocadores de calor O primeiro caso envolve o tratamento termico em batelada de enlatados em que e preciso conhecer o historico de temperatura do alimento dentro da lata durante o aquecimento na autoclave e durante o resfriamento em banho de água Já o segundo caso envolve os processos contínuos de alimentos líquidos que são aquecidos em um trocador de calor escoam por um tubo de retenção e então são resfriados em outro trocador de calor Esses processos são conhecidos como alta temperatura curto tempo HTST do inglês high temperature short time Há ainda os casos de processos continuos ultra alta temperatura UHT do inglês ultra high temperature com aquecimento por injeção direta de vapor e câmaras de resfriamento flash para resfriamento instantâneo e o caso do processo de esterilização de leite embalado em caixas Longa Vida Tetrapak Em um processo continuo o tempo de processo e considerado como o tempo de residência no tubo de retenção entre o aquecedor e o resfriador de acordo com o fluxo contínuo no sistema Esse método de esterilização é comumente acompanhado do enchimento asséptico OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 89 Em processos de esterilização por batelada de produtos enlatados a situação e bem diferente do processo isotérmico e uniforme que foi idealizado As latas são cheias com o produto relativamente frio e não esteril seladas apos a exaustão do headspace e inseridas em autoclaves a vapor que aplicam calor no lado externo da lata A temperatura do produto no interior da lata mudará de acordo com as leis físicas de transferência de calor e gradualmente aumentará seguido de queda da temperatura em resposta ao resfriamento na parede durante o banho em água fria Cada particula do alimento no interior da lata terá um historico de temperatura diferente A determinação desse historico não e trivial especialmente se o alimento for de baixa viscosidade e ocorrer movimento escoamento no interior da lata Desse modo e usual analisar apenas o valor de esterilização no ponto de aquecimento mais lento do interior da lata que normalmente se encontra em seu centro geometrico Considera se que se esse ponto atende ao valor de esterilização desejado então o restante do alimento na lata foi processado em uma condição mais severa e mais segura Como a habilidade de determinar o tempo temperatura com precisão é de crucial importância no cálculo do processo termico o conhecimento das várias formas de transferência de calor envolvidas nos produtos enlatados a descrição dos métodos de medição da temperatura e seu registro em tempo real e a maneira pela qual esses dados são tratados para a obtenção dos parâmetros de penetração de calor são necessários 132 Formas de transferência de calor Em um processo termico envolvendo alimentos enlatados o transporte de energia termica na forma de calor se dá pelo mecanismo de convecção O calor se difunde em materiais solidos pelo mecanismo de condução por meio da interação entre particulas vizinhas Em liquidos e gases o movimento de escoamento do fluido contribui para a dispersão da energia O transporte de energia pela combinação entre condução e escoamento advecção e conhecido como convecção Nos alimentos solidos ou de alta viscosidade nos quais essencialmente não há deslocamento do produto no interior da lata mesmo quando agitados o calor é predominantemente transferido por condução Em razão da falta de movimento do produto e da baixa difusividade termica que a maioria dos alimentos apresenta esses produtos aquecem muito lentamente e exibem uma distribuição da temperatura OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 90 bastante não uniforme durante o aquecimento e durante o resfriamento Portanto os cálculos de processo termico se baseiam na historia da temperatura do ponto de aquecimento mais lento ponto frio que nesse caso e o centro geometrico da lata Produtos dessa categoria são processados usualmente em autoclaves estacionárias ou em autoclaves hidrostáticas contínuas sem agitação mecânica Nos produtos liquidos enlatados como sopas ou molhos o calor e transportado por convecção que pode ser natural ou forçada dependendo do emprego de agitação mecânica no processo Em uma autoclave estacionária sem agitação mecânica o movimento do produto ocorrerá em razão das correntes de convecção natural induzidas por diferenças de densidade No entanto a taxa de transferência de calor pode ser substancialmente aumentada por meio do emprego de agitação mecânica Por essa razão a maioria dos processos que envolvem produtos liquidos e conduzido em autoclaves agitadas cujo desenho permite a rotação tanto axial quanto transversal das latas A rotação transversal normalmente ocorre em autoclaves de batelada enquanto a axial ocorre em autoclaves contínuas Por causa do movimento do produto no interior da lata a distribuição da temperatura e razoavelmente uniforme se o produto está sob agitação mecânica Em convecção natural o ponto mais lento está posicionado abaixo do centro geométrico e deve ser determinado experimentalmente a cada caso Na Figura 131 está ilustrada de maneira esquemática a indicação do ponto mais lento em alimentos enlatados para os mecanismos de condução e de convecção natural Existe também o mecanismo misto que exibe os dois mecanismos citados condução e convecção porem em uma parte do tempo predomina a transferência por convecção e em outra parte do tempo predomina a transferência por condução Particularmente esse fenômeno ocorre em alimentos que contenham amido cujo evento de gelatinização se encontra na faixa de temperatura entre 60 C e 70 C dependendo da origem do amido e que causa um espessamento no produto impedindo as correntes de convecção e tornando predominante o mecanismo de transporte de calor por condução Teixeira 2007 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 91 Figura 131 Ilustraçao esquematica da indicaçao do ponto mais lento de produtos em latas para os mecanismos de transferencia de calor por conduçao e por conveccão natural Fonte Tadini 2018 p 580 133 Curvas de penetracão de calor O objetivo principal da medida da penetração de calor é obter com precisão o registro da temperatura do produto na lata no seu ponto de aquecimento mais lento ao longo do processo ou seja durante o aquecimento e subsequente resfriamento sob condições de processo controladas Essa medida normalmente é adquirida por meio de termopares de cobre constantan tipo T inseridos atraves da parede de uma ou mais latas teste de modo que a junção esteja localizada no ponto desejado Os termopares são então conectados a um sistema de aquisição de dados acoplado a um microcomputador com programa especifico de registro da temperatura em tempo real O perfil da temperatura ao longo do tempo apresentado pelo produto medido no ponto mais lento dependerá das propriedades termofisicas do produto do tamanho e forma da lata e das condições experimentais da autoclave Portanto e muito importante que as latas teste do produto usadas para a determinação da penetração de calor representem de fato as reais condições do produto comercial com respeito à formulação peso cheio headspace tamanho da lata entre outros Alem disso a autoclave de laboratorio deve ser instrumentalizada de modo a assegurar a aquisição de dados com precisão simulando as condições do processo industrial caso não seja possível realizar os testes no equipamento real OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 92 Durante um teste de penetração de calor ambas as temperaturas do ponto mais lento do produto e a da autoclave são registradas em tempo real Um típico processo se inicia com a purga da autoclave com injeção de vapor saturado para remover todo o ar atmosferico seguida do fechamento das válvulas ate atingir a pressão e a temperatura desejadas Esse e o ponto em que o tempo de processo se inicia e a temperatura da autoclave é mantida constante sobre o tempo requerido para aquele processo Ao final desse periodo a entrada de vapor e fechada e água fria e introduzida sob pressão de ar a fim de evitar uma súbita queda de pressão na autoclave ocasionada pela rápida condensação do vapor Nesse instante inicia se a etapa de resfriamento do processo que termina com a pressão interna da autoclave atingindo o valor da pressão atmosférica e a temperatura do produto atingindo um valor seguro para permitir a sua retirada da autoclave Na Figura 132 perfis de temperatura e de pressão típicos em um processo térmico de um alimento enlatado são mostrados Como mencionado anteriormente o historico tempo temperatura de um produto sob tratamento termico dependerá de vários fatores que incluem mas não são limitados a i o sistema do processo autoclaves estacionárias ou com agitação ou autoclaves hidrostáticas ou sistemas assepticos continuos ii o meio aquecedor vapor imersão em água spray de água ou mistura arvapor iii as caracteristicas do produto incluindo consistência razão solidoliquido e suas propriedades termofisicas iv a temperatura inicial do produto e do meio aquecedor e v o tipo a forma e o tamanho da embalagem Usando as informações obtidas de estudos de penetração de calor dados de taxa de aquecimento podem ser determinados e expressos matematicamente Considerando o alimento enlatado como um corpo de temperatura uniforme o que pode ser válido para um alimento liquido sob agitação mecânica convecção forçada e possivel realizar um balanço de energia termica para prever como a sua temperatura média irá variar com o tempo durante o aquecimento Como a espessura do metal e pequena e esse material e um otimo condutor de calor a parede da lata pode ser desprezada nos cálculos de troca térmica Assume se então que a variação na energia termica do produto Q se dá pela troca convectiva de calor com o vapor de aquecimento ou com a água de resfriamento A taxa de transferência de calor por convecção e dada pela Lei de resfriamento de Newton na Equação 132 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 93 Figura 132 Perfis tipicos de temperatura e de pressao que ocorrem em um processo termico em uma autoclave hidrostatica Fonte Tadini 2018 p 581 Equação 131 em que S e a taxa de transferência de calor na superficie W h e o coeficiente de troca térmica por convecção W m2 K1 AS e a área superficial de contato do solido com o meio m2 no caso a área superficial da lata e ΔT e a diferença de temperatura potencial termico C sendo ΔT TS T quando o solido e resfriado e ΔT T TS caso contrário A temperatura do meio fluido afastada do solido e T enquanto a temperatura da superficie do solido e TS O balanço de energia térmica do produto na etapa de aquecimento pode ser expresso como variação na quantidade de energia térmica taxa de entrada de calor Equação 132 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 94 A variação na energia térmica do alimento pode ser expressa a partir de seu calor especifico a pressão constante e da variação em sua temperatura A taxa de transferência de calor vem da Equação 131 substituindo TS por T já que foi considerado que a temperatura do alimento e uniforme igual em todas as posições Equação 133a Equação 133b em que T e a temperatura do alimento C T e a temperatura da autoclave C AS e a área superficial do alimento m2 V e o volume do alimento m3 ρ e a densidade kg m3 e CP e o calor especifico J kg1 C1 A Equação 133b pode ser integrada a partir do instante inicial t 0 quando a temperatura do alimento é T Ti Equação 134a Equação 134b Finalizando tem se na Equação 135 a expressão da temperatura media do alimento em função do tempo tanto para a etapa de aquecimento como para a etapa de resfriamento Vale lembrar que essa equação é válida para um alimento líquido sob agitação na lata temperatura aproximadamente uniforme Equação 135 Note na Equação 135 que a temperatura media do produto e função exponencial do tempo Portanto um gráfico semilogaritmico da diferença da temperatura potencial termico para a troca de calor ΔT T T em função do tempo produzirá uma reta que e relacionada diretamente com as propriedades termofisicas do alimento com as OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 95 dimensões da lata e com o coeficiente de troca termica por convecção Esse gráfico e conhecido como curva de penetração de calor e pode ser feito individualmente para as etapas de aquecimento e de resfriamento do alimento na lata Como na prática a temperatura do alimento dentro da lata dificilmente e uniforme esse gráfico semilogaritmico não resulta exatamente em uma reta Alem disso o resultado também dependerá do ponto de medição da temperatura Uma possível solução para esse problema é acompanhar a temperatura apenas do ponto mais lento do alimento e usar uma correlação análoga à Equação 134b para representar o historico tempo temperatura Foram desenvolvidos metodos matemáticos de cálculos de processo termico com base na solução analitica do problema de transferência de calor em alimentos nas condições do processo e nos dados de resistência térmica dos microrganismos Charles Olin Ball em 1923 foi o primeiro pesquisador quem apresentou um metodo de cálculo de processo termico para enlatados que ficou conhecido como o metodo de Ball Ball 1923 Nesse metodo a curva de penetração de calor na etapa de aquecimento é aproximada pela seguinte expressão Equação 136 cujos parâmetros ajustáveis são fh que e o tempo requerido do trecho reto linear da curva de aquecimento para completar um ciclo logaritmico min jh que e o fator lag de aquecimento adimensional e tc que e o tempo inicial corrigido min Essa equação é válida para o intervalo de tempo de tc a tr que e o instante min em que se inicia a etapa de resfriamento injeção de água na autoclave ou o instante em que o trecho reto da curva de aquecimento se encerra O fator lag de aquecimento é determinado a partir da temperatura pseudoinicial Tpi correspondente ao coeficiente linear da reta da curva de aquecimento C O prolongamento do trecho reto da curva de penetração de calor até o instante t tc fornece o valor de T Tpi É importante salientar que a temperatura pseudoinicial não e uma medida do processo e que muitas vezes assume valores negativos ou seja esse parâmetro não tem significado fisico O fator lag de aquecimento e definido como Equação 137 em que Tpi e a temperatura pseudoinicial C OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 96 O tempo inicial corrigido tc e um ajuste necessário em razão do tempo decorrido desde o inicio do processo t 0 ate a autoclave atingir a temperatura desejada O tempo requerido para atingir a temperatura de processo é conhecido como come up time e estudos mostram que apenas 42 desse tempo podem ser considerados como o tempo efetivo do processo Então 58 do tempo remanescente e removido pelo deslocamento do tempo a 58 do come up time subtraindo tc do tempo na Equação 136 Note que a Equação 136 deriva diretamente da equação teorica 134b Para o caso ideal de temperatura uniforme dentro do alimento as seguintes igualdades são válidas Equação 138 de forma que a Equação 136 se reduz à Equação 134b 134 Equipamentos para esterilizaçao autoclaves O fluxograma básico da operação de enlatamento e mostrado na Figura 133 em que o produto e inicialmente preparado seguido do enchimento da embalagem que pode ser metálica de vidro de plástico entre outros Apos o enchimento e a exaustão retirada do ar a embalagem e hermeticamente selada e então está pronta para ser submetida ao processo termico pasteurização ou esterilização para produzir um produto alimenticio inocuo ou seja a esterilização comercial deve ser atingida e de boa qualidade O processo de esterilização é o ponto crítico de controle para assegurar a qualidade do produto e o equipamento de esterilização deve ser dimensionado e operado para garantir a esterilização comercial a cada batelada A maior parte dos equipamentos de esterilização usados pela indústria são as autoclaves de batelada as autoclaves hidrostáticas continuas e as autoclaves rotativas continuas As autoclaves modernas tanto em batelada ou continuas são desenhadas para maximizar a eficiência do processo e a qualidade do produto e são adaptadas para vários tipos e formatos de embalagens De acordo com as características de transferência de calor e do material da embalagem as diferentes aplicações de autoclaves estão sumarizadas na Figura 134 As autoclaves estacionárias são vasos cilíndricos orientados vertical ou horizontalmente Cestos são utilizados para a carga ou descarga de latas As latas são dispostas verticalmente nos cestos e divisorias metálicas perfuradas separam as camadas de latas Nas autoclaves verticais os cestos são movimentados na direção vertical com a ajuda de talha eletrica Nas horizontais os cestos têm perfil OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 97 retangular com dimensões ajustadas às autoclaves cilindricas Nesse caso os cestos são dispostos em carrinhos com rodas e são transportados para dentro da autoclave As autoclaves estacionárias devem ser equipadas com controlador e registrador de temperatura muito preciso e bem calibrado Alem disso o vapor deve ser uniformemente distribuído dentro da autoclave Um distribuidor de vapor continuamente introduz pequenas quantidades de vapor e promove um fluxo dentro da autoclave Um tipo de autoclave rotativa contínua consiste em um vaso de pressão cilíndrico equipado com um carretel rotativo que carrega as latas na sua periferia Quando o carretel rotaciona as latas alternadamente correm sobre o carretel e rolam ao longo da parede do cilindro A velocidade de rotação determina a taxa de aquecimento e o tempo de residência das latas na autoclave ANOTE ISSO Ao contrário da pasteurização a esterilização elimina todos os tipos de microrganismos e esporos A pasteurização mata apenas a maioria dos microrganismos e não mata esporos Existe uma confusão entre as duas técnicas quando se fala de microrganismos ou temperatura Figura 133 Fluxograma basico do processo termico de alimentos enlatados Fonte Tadini 2018 p 597 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 98 Figura 134 Aplicacões do processo de esterilizacão para diferentes mecanismos de transferência de calor e tipos de produtos Fonte Tadini 2018 p 597 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 99 CAPÍTULO 14 REFRIGERAÇÃO 141 Introducão Na Grecia e na Roma antigas usava se gelo coletado das montanhas para refrescar as bebidas o que obviamente na epoca era considerado um luxo Conta se tambem que o Imperador Nero adorava gelo com frutas o que poderia ser considerado o precursor do sorvete O gelo era armazenado em poços profundos e coberto com palha o que o mantinha durante o verão Os primeiros fazendeiros nos Estados Unidos construíram as suas casas de leite o que hoje entendemos como usinas de beneficiamento de leite proximas a fontes para utilizar água fria para resfriar rapidamente o leite O uso de cavernas e porões para armazenar alimentos é outra prática bem conhecida A refrigeração mecânica foi descoberta no seculo XIX mas não foi comercializada antes de 1875 Robberts 2002 Na virada do seculo passado a maioria das casas tinha uma caixa de gelo literalmente uma caixa isolada que continha um bloco de gelo para manter alimentos refrigerados que pode ser considerada como a precursora do refrigerador domestico Foi somente apos a Primeira Guerra Mundial que os refrigeradores se tornaram comuns nas residências Nos dias de hoje modernos sistemas de refrigeração são projetados para manter temperaturas abaixo de 80 C Refrigeração e resfriamento são dois termos que significam mais ou menos a mesma coisa O termo refrigeração é comumente usado para descrever a remoção de calor de um espaço fechado enquanto o termo resfriamento e usado para descrever a remoção de calor de uma substância ou objeto Em ambos os casos existe uma transferência de calor de um corpo ou espaço para um meio que então transferirá para outra área ou substância O objetivo da refrigeração é abaixar a temperatura do alimento de modo a reduzir a taxa de reações quimicas e enzimáticas Ela tambem reduz a taxa metabolica natural dos tecidos ou das bacterias o que está associado ao prolongamento da vida de prateleira desses alimentos Em geral os consumidores preferem produtos frescos disponiveis o ano todo o que em muitos casos é inviável Produtos devem ser mantidos sob refrigeração em OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 100 temperaturas adequadas a sua conservação de modo que possam ser distribuidos para lugares distantes do ponto de produção O congelamento e um metodo mais drástico de conservação em que a temperatura no produto atinge certo valor no qual se inicia o congelamento da água presente Esse metodo e empregado quando se deseja preservar materiais biologicos por longos periodos A temperaturas subzero as taxas metabolicas dos tecidos e de quaisquer microrganismos são muito baixas Uma vez que a taxa de reações químicas também é substancialmente reduzida os produtos podem ser armazenados por periodos longos sem alterações significativas Assim neste capitulo serão abordados os aspectos termodinâmicos dos dois metodos de conservação seus fundamentos de transferência de calor e os equipamentos envolvidos 142 Refrigeracão O resfriamento tão rapidamente quanto possivel apos a colheita tem sido um metodo de preservação largamente utilizado para manter a qualidade dos alimentos prevenir a deterioração microbiana e maximizar a vida de prateleira Esse processo térmico é muito comum na indústria de alimentos e o projeto adequado do equipamento depende do conhecimento das propriedades térmicas dos alimentos que serão processados Para prover um produto de otima qualidade são necessárias operações adequadas de colheita manuseio embalagem e armazenamento dos alimentos principalmente de frutas e vegetais No supermercado fatores de qualidade como frescor crocância e aparência são considerados pelo consumidor Em razão da natureza perecível que as frutas e vegetais apresentam e de extrema importância que a colheita e o manuseio sejam conduzidos de maneira rápida do mesmo modo que o grau de maturidade na colheita é igualmente importante A remoção de calor pelo processo de resfriamento a uma desejada temperatura e umidade relativa é absolutamente necessária para manter a qualidade de frutas e vegetais A qualidade da maioria dos produtos rapidamente deteriorará se o calor produzido não for removido antes das operações de carga e transporte A taxa de respiração e de amadurecimento aumenta de duas a três vezes para cada 10 C acima da temperatura recomendada de armazenamento Dincer 2010 A refrigeração é uma operação fundamental no processo de alimentos e na sua preservação A remoção de calor pode envolver tanto a transferência de calor de um fluido para outro ou de um solido para um fluido ou ainda pode ser acompanhada pela OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 101 vaporização da água de um material sob condições adiabáticas O conhecimento dos princípios de transferência de calor é um pré requisito essencial para o entendimento do projeto e da operação do sistema de refrigeração A manutenção de temperaturas abaixo da temperatura ambiente requer tanto a remoção do calor quanto a prevenção de entrada de calor externo A taxa de remoção de calor de um sistema requerido para manter uma dada temperatura desejada é conhecida como carga de refrigeração Para o entendimento dessa operação unitária aspectos relacionados com a refrigeração de alimentos os metodos de pre resfriamento e suas aplicações as tecnicas de resfriamento no armazenamento e os parâmetros de processo de resfriamento e de transferência de calor serão abordados ISTO ACONTECE NA PRÁTICA A refrigeração é aquele famoso colocar na geladeira Vale salientar que é preciso entender que cada alimento pode necessitar de uma refrigeração mais intensa ou não e seu tempo de conservação também irá depender desse fator A refrigeração dos alimentos é bastante utilizada em restaurantes supermercados lanchonetes e açougues Geralmente os balcões refrigerados são responsáveis por manter bebidas e outros produtos na temperatura adequada além de expor os itens aos clientes Já na cozinha é mais adequado utilizar modelos de refrigeradores e câmaras frias que se adaptam ao volume de produção do setor 143 Refrigeracão natural Gelo armazenado foi o meio principal de refrigeração ate o inicio do seculo XX e ainda é utilizado em alguns lugares A refrigeração natural é obtida quando gelo ou uma mistura de gelo e sal são usados para absorver calor do ambiente 1421 Preresfriamento O pré resfriamento é um processo de resfriamento em que a temperatura dos alimentos notadamente frutas e vegetais e reduzida à temperatura otima de armazenamento ou de transporte logo apos a colheita O objetivo principal desse processo e reduzir as taxas de mudanças bioquimicas e microbiologicas para prevenir a deterioração manter a qualidade e estender a vida de prateleira O pre resfriamento e particularmente importante para produtos que geram calor como as frutas e OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 102 vegetais pois continuam respirando apos sua colheita Alem disso calor e gases de respiração e certos metabolitos como ácido carbônico e gás etileno são liberados durante o armazenamento com consequentes alterações indesejáveis Portanto o pre resfriamento e a primeira operação apos a colheita pertencente à cadeia do frio que aumenta a vida de prateleira dos produtos pela redução i do calor gerado ii da taxa de respiração iii da taxa de amadurecimento iv da perda de umidade v da produção de etileno gás gerado pelo produto durante o amadurecimento Os principais metodos de pre resfriamento são resfriamento a água contato pelo gelo resfriamento a ar resfriamento a ar úmido e resfriamento a vácuo Cada um desses metodos oferece vantagens e desvantagens de acordo com o produto Uma descrição sucinta de cada um dos métodos é apresentada a seguir Câmara de resfriamento recipientes empilhados de produtos em uma câmara refrigerada Alguns produtos são umedecidos ou regados com água enquanto permanecem na câmara Resfriamento por ar forçado ou resfriamento pressurizado úmido ar é circulado pelos recipientes empilhados na sala refrigerada Para alguns produtos água e adicionada ao ar Ar de resfriamento forçado leva de 1 a 2 h por causa da convecção forçada dependendo da quantidade de embalagens enquanto a câmara de resfriamento pode levar de 24 h a 72 h convecção natural Dincer 2010 Resfriamento a água o produto e enxaguado em tanques caixotes ou contêineres com uma grande quantidade de gelo Nesse metodo frutas e vegetais são colocados em contato direto com água fria que jorra através de recipientes empilhados e absorve calor diretamente do produto Resfriamento a vácuo a remoção de calor dos produtos empilhados em contêineres é realizada aplicando vácuo na câmara O processo de resfriamento a vácuo produz uma rápida evaporação de uma pequena quantidade de água abaixando a temperatura do produto a um nível desejado No resfriamento a vácuo e necessário que os produtos tenham uma grande área superficial baixa densidade e alto conteúdo de umidade Resfriamento a água e sob vácuo esse metodo e realizado pela adição de umidade aos produtos embalados nos contêineres antes e depois da aplicação de vácuo para acelerar a remoção do calor Resfriamento por contato direto com gelo por injeção de gelo derretido ou gelo picado dentro de cada contêiner de produto Providencia um efetivo resfriamento e uma alta umidade relativa aos produtos OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 103 A seleção do método de pré resfriamento adequado deve ser realizada de acordo com os seguintes criterios i taxa de resfriamento ii o tipo de mercadoria e subsequente armazenamento iii a natureza valor e quantidade do produto iv condições de transporte v custos de equipamentos e operacionais vi custo de pessoal vii conveniência viii eficiência ix aplicação x uso energetico eficiente xi condições de processo xii requerimentos de equipamento A preferência por um método de pré resfriamento varia de acordo com as características fisicas dos alimentos Por exemplo o resfriamento a água e recomendado para aspargos cenouras ou ervilhas no caso de alface repolho e espinafre e recomendado o resfriamento a vácuo resfriamento a ar e preferido para feijão pepino berinjela pimenta e tomate Apos o pre resfriamento e desejável manter a temperatura baixa no transporte dos alimentos em caminhões refrigerados no armazenamento em câmaras refrigeradas e sob refrigeração nos pontos de venda A seguir quatro metodos de pre resfriamento considerados os mais importantes serão descritos em detalhes 1422 Preresfriamento a agua É um método efetivo de remoção rápida de calor gerado do produto por meio do jorro de água gelada sendo muito utilizado para frutas e outros produtos de baixa umidade Algumas de suas vantagens são a simplicidade a eficiência a rapidez e o custo Em relação às desvantagens as seguintes podem ser consideradas i dificuldade de manuseio e embalagem ii contaminação pois a água gelada e mantida sob circulação iii produção de alguns efluentes poluentes em razão do uso de água reciclada OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 104 Figura 141 Desenho esquematico de um túnel de resfriamento a agua por imersao indicando os locais onde a temperatura deve ser monitorada T a bomba de recirculaçao de agua gelada e o sistema de refrigeraçao Fonte Tadini 2018 p 616 O pre resfriamento a água pode ser conduzido por jorro spray ou imersão do produto em um tanque de água gelada O metodo por jorro significa que água gelada é introduzida sobre os produtos na forma de chuva sob gravidade O método por spray é realizado por meio de bocais superiores O método por jorro necessita menor potência da bomba do que os bocais por causa da pressão desenvolvida nos orificios O produto pode ser resfriado por imersão jorro ou spray com água gelada preferencialmente em temperatura proxima de 0 C contendo um desinfetante como cloro ou um composto a base de fenol aprovado pela legislação Existem dois sistemas básicos de resfriamento a água o contínuo e o de batelada No sistema continuo o produto e transportado continuamente atraves de um túnel de resfriamento a água tanto em lotes como já embalados Na Figura 141 e ilustrado um sistema de resfriamento a água por imersão constituido de um tanque de água gelada isolado termicamente pelo qual água gelada e bombeada O nivel de água do tanque deve ser em torno de dois terços da sua capacidade OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 105 1423 Preresfriamento por ar forcado É o mais utilizado A taxa de resfriamento é determinada pela capacidade de refrigeração disponivel a capacidade de transferência de calor pelo ar de resfriamento e os parâmetros de transferência de calor do produto e da embalagem Dependendo do projeto a taxa de resfriamento varia bastante em relação a uma grande diversidade de produtos Esse tipo de resfriamento é normalmente realizado pelo uso de ventiladores e barreiras colocadas estrategicamente de modo que o ar frio é forçado a passar através dos contêineres de produtos Usualmente o pré resfriamento por ar forçado leva de um décimo a um quarto do tempo requerido para resfriar em comparação com a câmara de refrigeração sem ventilação mas leva de duas ou três vezes mais tempo do que o resfriamento a água ou sob vácuo As câmaras de refrigeração são geralmente fáceis de serem adaptadas para o método de ar forçado Mercadorias não devem permanecer no sistema em tempo superior ao necessário para atingir a temperatura desejada por causa da excessiva perda de umidade que o produto poderá sofrer O controle da umidade é outro importante parâmetro nesse método e será discutido adiante A velocidade de resfriamento dependerá do tamanho e formato do produto da capacidade de refrigeração da câmara e do fluxo de ar sobre e em volta dos produtos O resfriamento por ar forçado e amplamente usado por ser simples e econômico oferecer condições sanitária e não causar danos corrosivos aos equipamentos Suas maiores desvantagens são a perda excessiva de umidade e a possibilidade de congelamento do produto se a temperatura do ar estiver abaixo de 0 C Exemplos de produtos resfriados por esse metodo são carnes frutos citricos morangos etc Na prática os produtos são pre resfriados em um sistema de ar forçado i com circulação de ar em câmaras de refrigeração ii em caminhões ou vagões equipados com equipamento de refrigeração iii com ar forçado atraves dos vazios de produtos armazenados a granel movendo se atraves de um túnel de resfriamento sobre transportadores continuos ou em caminhões ou vagões equipados iv em transportadores continuos em túneis de vento v pela passagem de ar através de contêineres por pressão diferencial É importante destacar que a taxa de remoção de calor do produto para a corrente de ar depende fundamentalmente i da diferença de temperatura entre o produto e o ar de resfriamento driving force ii da velocidade do ar passando atraves do produto OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 106 Figura 142 Desenho esquematico de um sistema de resfriamento por ar forçado indicando o local onde a temperatura deve ser monitorada T o ventilador do ar o sistema de refrigeraçao e o produto disposto em uma caixa de polietileno dentro da camara de refrigeraçao Fonte Tadini 2018 p 617 Como mencionado anteriormente existem diferentes metodos de resfriamento por ar forçado O pre resfriamento pode ser obtido em uma câmara isolada termicamente em contêineres especializados ou em meios de transporte equipados Nesses sistemas trocadores de calor são muito comuns e duas configurações são geralmente usadas i ar seco e resfriado quando passa atraves de serpentina refrigerada ii ar úmido e resfriado quando passa atraves de um material embalado e resfriado por contato direto com água gelada que é espalhada sobre a superfície Na Figura 142 e ilustrado um sistema de resfriamento por ar forçado que consiste basicamente em duas partes principais o sistema de refrigeração convencional e a sala de resfriamento onde os produtos são pre resfriados Na prática existem várias tecnicas de pre resfriamento por ar forçado disponiveis para serem empregadas Todas têm o mesmo princípio forçar o ar frio em volta e OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 107 através do produto para resfriá lo rapidamente Vários desenhos de refrigeradores são disponiveis para diferentes aplicações Para o pre resfriamento de frutas e vegetais várias tecnicas modificadas são disponiveis incluindo i túnel de ar forçado de resfriamento empregando um ventilador de pe ii túnel tipo parede fria de ar forçado de resfriamento iii serpentina de resfriamento iv único palete de ar forçado de resfriamento v câmara de resfriamento vi sistema de banco de gelo com ar forçado de resfriamento 1424 Preresfriamento por ar úmido É um metodo combinado usando ar e água de resfriamento Na prática a maioria dos vegetais antes do transporte são resfriados a água utilizando grandes quantidades de água em sistemas continuos ou em batelada Em sistemas continuos paletes carregados são submetidos a imersão ou aspersão em túneis No caso dos sistemas em batelada os vegetais são dispostos em câmaras onde água e aspergida sobre a sua superficie e taxas menores de resfriamento são obtidas Por causa da grande quantidade de água necessária para o sistema a manutenção de água limpa e impraticável e portanto riscos de contaminação existem Por causa dessas desvantagens Henry Bennett e Segall 1976 desenvolveram uma tecnica mais eficiente de resfriamento conhecida como resfriamento por ar úmido para vegetais dispostos em paletes Os autores conduziram uma serie de testes usando vários metodos de aplicação de água gelada e variando a vazão de água e tambem usaram ar de resfriamento misturado com água gelada sobre o produto como ilustrado na Figura 143 Em geral na operação água de um chiller localizado fora da câmara de refrigeração é bombeada e aspergida sobre a superfície da unidade de ar Água quente retirada por um ventilador é resfriada pelo contato direto com o chiller 1424 Preresfriamento a vacuo É um método alternativo para remover rapidamente o calor gerado do produto e mantê lo à temperatura de armazenamento Esse metodo e extremamente efetivo para produtos que apresentam as seguintes características i uma grande razão entre superficie e massa como vegetais folheados ii habilidade de liberar a água interna rapidamente OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 108 A maioria dos frutos e vegetais tem grande quantidade de água e quando sujeitos a um adequado vácuo parte dessa água e evaporada resfriando desse modo o alimento O resfriamento a vácuo e muito utilizado para flores cogumelos e folheados Figura 143 Desenho esquematico de um sistema de resfriamento por ar úmido Fonte Tadini 2018 p 617 Esse metodo envolve a exposição do produto a uma pressão entre 530 Pa a 670 Pa até que o resfriamento evaporativo atinja a temperatura desejada A extensão do resfriamento e proporcional à água evaporada e a pre umidificação e útil para vários produtos especialmente aqueles que estejam a altas temperaturas Para alguns produtos o resfriamento a vácuo e vantajoso em razão de sua rapidez e economia A principal desvantagem é a necessidade de investimento de capital alto Os equipamentos necessários são uma câmara grande um dispositivo de redução de pressão e um dispositivo de condensação de água 143 Sistema de refrigeraçao mecanica A segunda lei da termodinâmica expressa que o calor fluirá naturalmente do corpo de maior para o de menor temperatura Em um sistema que deve ser mantido a temperatura inferior a do ambiente o calor deve fluir na direção oposta Um sistema de refrigeração pode ser considerado como uma bomba que transporta calor de OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 109 uma região de baixa temperatura para outra região de alta temperatura O lado de baixa temperatura do sistema de refrigeração é mantido a uma temperatura inferior à temperatura do material que está sendo resfriado de modo a permitir que o calor espontaneamente flua para o sistema de refrigeração O lado de alta temperatura deve ter uma temperatura superior a do ambiente para permitir a dissipação do calor absorvido para a circunvizinhança Ambos os lados tanto o de alta temperatura quanto o de baixa temperatura podem ser mantidos no sistema de refrigeração pelo uso de um fluido refrigerante que e continuamente reciclado através do sistema O resfriamento causado pela rápida expansão de gases é o principal meio de refrigeração utilizado atualmente A técnica do resfriamento evaporativo é conhecida há seculos mas os metodos fundamentais da refrigeração mecânica somente foram descobertos no meio do seculo XIX William Cullen da Universidade de Glasgow demonstrou o primeiro conhecido sistema de refrigeração artificial em 1748 Cullen deixou eter etilico evaporar em condições parciais de vácuo mas não usou o resultado para qualquer aplicação prática Em 1805 um inventor americano Oliver Evans projetou a primeira máquina de refrigeração que usou vapor no lugar de líquido Evans nunca construiu sua máquina mas John Gorrie construiu uma similar em 1844 Robberts 2002 Ferdinand Carré desenvolveu um sistema usando a rápida expansão da amônia em 1859 Amônia liquefaz em temperaturas muito mais baixas que a da água para uma mesma pressão e portanto e capaz de absorver muito mais calor Os refrigeradores de Carré foram largamente utilizados e a refrigeração por compressão tornou se o metodo de resfriamento mais utilizado ate os dias atuais Apesar do sucesso da amônia essa substância apresenta uma seria desvantagem se ocorre vazamento ela e toxica e provoca um odor indesejável Por isso quimicos pesquisaram compostos que poderiam ser usados no lugar da amônia e obtiveram sucesso na decada de 1920 quando um número de refrigerantes sinteticos foi desenvolvido Um desses compostos foi patenteado sob o nome de Freon É um composto simples que é manufaturado substituindo os quatro átomos de hidrogênio por dois átomos de cloro e dois átomos de flúor no metano CH4 O composto resultante diclorofluormetano CCl2F2 e uma substância inodora e toxica somente em doses extremamente altas No entanto por causa do ataque à camada de ozônio em 1981 os fabricantes desse tipo de gás e similares assinaram um acordo conhecido como OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 110 Protocolo de Montreal que estabeleceu a retirada paulatina dessas substâncias do mercado Figura 144 Desenho esquematico de um ciclo de refrigeraçao por compressao de vapor Fonte Tadini 2018 p 619 Um sistema de refrigeração deve ser dimensionado adequadamente a uma dada carga termica em que o calor deve ser removido continuamente de um sistema a temperaturas subambiente e por longos periodos e portanto atua como uma bomba de calor descrita anteriormente Essa operação requer energia e um sistema bem dimensionado permite a máxima remoção de calor com um custo de energia mínimo OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 111 Figura 145 Desenho esquematico do ciclo de refrigeraçao por absorçao da amonia Fonte Tadini 2018 p 620 Um sistema de refrigeração por compressão ilustrado na Figura 144 consiste em um compressor um condensador uma válvula de expansão e um evaporador Um fluido refrigerante em uma pressão na qual sua temperatura de ebulição seja baixa e comprimido O gás em alta pressão tem uma temperatura de ebulição mais alta e e então inserido no condensador Dentro do condensador sendo a temperatura de ebulição do gás superior à temperatura do ar vizinho o calor e transferido para o fluido que absorve calor e condensa O líquido refrigerante a alta pressão então flui para o evaporador Na entrada do evaporador passa atraves de uma restrição a válvula de expansão que provoca uma significativa queda de pressão e consequentemente abaixa a temperatura de ebulição do líquido a um valor mais baixo A energia para a expansão e removida da área circunvizinha à serpentina de evaporação O calor ganho pela serpentina do evaporador causa a ebulição do líquido O vapor a baixa pressão flui para o compressor onde e comprimido e inicia novo ciclo OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 112 Esse sistema e comumente utilizado nos refrigeradores congeladores e sistemas de ar condicionados domésticos e também em muitas aplicações comerciais O fluido refrigerante mais utilizado e considerado o padrão foi o Refrigerante 12 comumente conhecido como Freon 12 ate o inicio da decada de 1990 Esse fluido apresenta propriedades desejáveis para um refrigerante baixo ponto de ebulição não toxico não explosivo não corrosivo e se mistura com oleo Essa última propriedade e necessária para permitir lubrificação interna do compressor durante a operação Entretanto o Refrigerante 12 tem uma propriedade indesejável e um clorofluorocarbono CFC que se liberado degrada a atmosfera superior para produzir cloro que tem uma habilidade poderosa de destruir o ozônio da atmosfera Por isso outros refrigerantes que não produzem cloro foram desenvolvidos como o refrigerante 134a ou 111 2 tetrafluoretano C2H2F4 Outro sistema ainda bastante utilizado é o ciclo por absorção da amônia O ciclo faz uso da habilidade da água absorver a amônia É um refrigerante natural ainda empregado em indústria de grande escala em razão de suas excelentes caracteristicas termodinâmicas e termofísicas Uma bomba é usada para produzir a alta pressão no gerador e condensador como ilustrado na Figura 145 144 Sistemas compressor evaporador condensador Como já mostrado na Figura 144 um sistema de refrigeração consiste em um compressor um condensador uma válvula de expansão e um evaporador Na Figura 146 e mostrado em detalhes o funcionamento desse sistema O compressor é a parte mais importante do sistema Os primeiros compressores desenvolvidos eram máquinas de pistão grandes e pesadas Os modernos são fabricados como em uma linha automotiva e de construção leve Podem ser classificados em compressores de deslocamento positivo ou dinâmicos Os de deslocamento positivo podem ser reciprocos ou rotativos enquanto os centrifugos representam os dinâmicos Os de deslocamento positivo são máquinas que aumentam a pressão de um volume de vapor pela redução do volume Os reciprocos aqueles com pistão são normalmente selecionados para operarem com capacidade de refrigeração de até 300 kW Os centrífugos são selecionados para operações com capacidade de refrigeração superior a 500 kW OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 113 A capacidade global de um dado compressor em função das temperaturas de evaporação e condensação desejadas de projeto normalmente está disponível na forma de tabelas ou ábacos O condensador é um trocador de calor no qual o calor que foi absorvido no evaporador é transferido para o ar ou água A combinação de resfriamento e alta pressão causará a condensação do refrigerante Sistemas grandes frequentemente usam condensadores de duplo tubo que são resfriados por aspersão de água Em sistemas pequenos onde refrigerantes de baixa pressão são empregados a circulação de ar forçado e usada para remover o calor dos tubos do condensador Na maioria dos sistemas de refrigeração o calor é transferido entre o fluido refrigerante e o ar Uma vez que o coeficiente de transferência de calor do ar e usualmente muito baixo a resistência termica do ar controla a taxa de transferência de calor do sistema Portanto áreas de troca termica grandes podem ser necessárias para atender à taxa requerida a área efetiva dos tubos de trocadores de calor que constituem o evaporador ou a serpentina de resfriamento pode ser aumentada pelo uso de aletas Figura 146 Sistema de refrigeracão por compressão mostrando em detalhes o funcionamento de um compressor recíproco Fonte Tadini 2018 p 622 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 114 CAPÍTULO 15 CONGELAMENTO 151 Congelamento A água ou umidade é o constituinte predominante em muitos alimentos É meio para as reações químicas e substrato para o desenvolvimento de microrganismos e para a atividade das enzimas Em meados do seculo XX cientistas relataram que existe uma relação direta entre o conteúdo de água em um alimento e sua relativa tendência de deteriorar Portanto a retirada parcial da água do alimento retarda muitas reações e inibe o crescimento dos microrganismos e consequentemente aumenta a vida de prateleira dos produtos O congelamento é reconhecido como o melhor método de conservação de alimentos por longo prazo Durante o congelamento parte da água e convertida em gelo reduzindo assim as reações quimicas e o crescimento microbiano ou seja a formação do gelo remove parte da água líquida disponível diminuindo a atividade de água do sistema 1511 O processo de congelamento O processo de congelamento envolve diferentes fatores na conversão da água em gelo fatores termodinâmicos que definem as caracteristicas do sistema sob condições de equilibrio e fatores cineticos que descrevem as taxas com as quais o equilibrio deve ser atingido O congelamento inclui dois processos sucessivos a formação dos cristais de gelo nucleação e o subsequente aumento do tamanho do cristal crescimento Observe as curvas típicas de resfriamento durante o congelamento mostradas na Figura 151 O aumento abrupto da temperatura causado pela liberação da entalpia de fusão apos o sub resfriamento inicial ponto S nas curvas representa o inicio da cristalização do gelo Água pura e sub resfriada ate que uma massa critica de núcleos e atingida o primeiro cristal então se forma e a sua entalpia de cristalização e liberada mais rapidamente que a entalpia retirada do sistema razão pela qual ocorre a elevação da temperatura ponto B nas curvas correspondente ao ponto de congelamento da água pura que e 0 C Enquanto o solido e o liquido estão em equilibrio a temperatura permanece constante à temperatura de congelamento ate que toda a água disponivel OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 115 seja transformada em gelo ponto C na curva da água pura Na curva tipica de congelamento de uma solução aquosa o soluto presente promoverá uma nucleação heterogênea acelerando o processo A presença do soluto diminui o sub resfriamento por dois motivos nucleação mais rápida e ponto de congelamento inicial mais baixo Em soluções muito concentradas muitas vezes o sub resfriamento e dificultado No caso da curva da água pura apos a cristalização completa a temperatura cai conforme o calor sensivel e liberado No caso da solução a supersaturação continua por causa do congelamento da água e cristais do soluto podem ser formados com a liberação da entalpia de cristalização do soluto causando um ligeiro aumento da temperatura ponto D da curva da solução esses pontos são conhecidos como pontos euteticos No caso de soluções com muitos solutos ou alimentos é difícil determinar os pontos eutéticos Figura 151 Curvas tipicas de congelamento ponto S sub resfriamento ponto A inicio da curva de resfriamento ponto B ponto de congelamento da agua pura ponto C ponto onde toda agua disponivel e transformada em gelo ponto D ponto eutetico Fonte Tadini 2018 p 638 O congelamento de um alimento e mais complexo que o da água pura pois ele contem água e solutos de diferentes naturezas alem de solidos insolúveis em água e macromoleculas Considerando se para efeito de simplificação um alimento como uma solução aquosa de diferentes solutos e de se esperar que ocorra a depressão do ponto de congelamento como a mostrada na Figura 151 A depressão do ponto de congelamento e determinada principalmente pelo número de moleculas de soluto dissolvidas em água OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 116 ANOTE ISSO É muito importante que o consumidor saiba que o congelamento não irá piorar nem melhorar o alimento Ele é apenas mais um processo de conservação assim como a desidratação a salga a apertização enlatamento entre outros 1512 A depressão do ponto de congelamento O ponto de congelamento representa a situação de equilibrio solido liquido ou seja a condição em que o potencial quimico e igual nas fases liquida e solida No caso da água pura em pressões proximas à atmosferica essa condição corresponde à temperatura de 0 C nessa temperatura a água em estado liquido e o gelo atingem o equilibrio ou seja a condição de igual potencial A adição de solutos reduz o potencial quimico da água em fase liquida e assim o equilibrio entre as duas fases pode ser alcançado somente com a redução da temperatura causando a depressão do ponto de congelamento ou seja a diferença entre o ponto de congelamento da água pura e o da solução ou alimento O ponto de congelamento pode ser predito por modelos classificados em três grupos teoricos empiricos baseados em curva de ajuste e semiempiricos Os modelos teoricos são geralmente baseados na hipotese de que os alimentos são soluções ideais condição que e respeitada por exemplo em alimentos com atividade de água proxima a 10 situação em que aw xw A aproximação aw xw é também conhecida por Lei de Raoult embora esse termo seja tambem associado a cálculos de pressão de saturação de misturas ideais Por outro lado os outros modelos são baseados em medidas experimentais do comportamento do alimento submetido ao congelamento 154 Propriedades termofísicas de alimentos congelados As propriedades termofísicas de alimentos congelados são utilizadas para estimar a taxa de transferência de calor e calcular a carga termica do processo como o congelamento e o descongelamento Anteriormente na análise e dimensionamento de processos associados ao congelamento ou descongelamento os engenheiros consideravam as propriedades termofisicas constantes ou seja esses cálculos eram simplificados e pouco precisos No entanto o grande número de produtos congelados disponíveis atualmente no mercado demanda um conhecimento maior de como as propriedades termofísicas mudam com a mudança de fase no processo A composição OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 117 quimica e notadamente a estrutura dos alimentos variam significativamente durante o processo de congelamento ou de descongelamento Portanto e muito comum usar modelos preditivos para estimar as propriedades dos alimentos congelados Como os alimentos são materiais compositos as suas propriedades termofisicas são claramente funções de seus componentes e a sua magnitude será função da temperatura A água e usualmente o componente principal e nos alimentos congelados ela se apresenta tanto na forma liquida quanto na solida 155 Projeto de sistemas de congelamento Para o correto dimensionamento do processo de congelamento e necessário alem das caracteristicas do produto e suas dimensões como visto nas seções anteriores considerar a transferência de calor na superficie do produto que pode ocorrer por vários mecanismos atuando em paralelo incluindo a convecção a radiação e a evaporação Alem disso se o produto e congelado embalado a resistência à transferência de calor por condução através do material da embalagem também deve ser computada nos cálculos A abordagem mais comum e estimar um coeficiente efetivo de transferência de calor h levando em conta todos os mecanismos envolvidos É usual tambem considerar que o coeficiente h e constante durante todo o processo de congelamento e e uniforme sobre a área superficial do produto A regra da adição para as resistências termicas em serie e para os coeficientes de transferência de calor para situações de fluxo de calor paralelo é então aplicada Equação 151 em que hef e o coeficiente efetivo de transferência de calor W m2 K1 Na literatura existe um grande número de correlações para se estimar o valor de h e os dados publicados dependem da geometria do material bem como o tipo de equipamento utilizado A seguir serão apresentadas algumas correlações para os tipos mais comuns de congeladores industriais bem como uma breve descrição do funcionamento desses equipamentos OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 118 1551 Congelador de placas Consiste em uma série de placas planas paralelas nas quais o fluido refrigerante circula As placas podem ser montadas tanto horizontal quanto verticalmente e um sistema hidráulico é utilizado tanto para abrir o espaço entre as placas para carga e descarga quanto para fechar as placas de modo a permitir um contato efetivo com o produto durante o congelamento Figura 152 As maiores vantagens dos congeladores de placas são i a taxa de congelamento e alta mesmo para produtos embalados ii o produto tem tamanho e forma consistentes de modo a facilitar o empacotamento com alta densidade e subsequente transporte iii são muito compactos iv a carga termica total e o uso de energia são menores do que os de sistema a ar v se o refrigerante e utilizado diretamente nas placas o sistema pode operar a temperatura de sucção mais alta As maiores desvantagens são o alto custo de capital especialmente se os congeladores forem automatizados para trabalhar continuamente e a limitação do tipo de produto a ser manipulado Para congeladores de placas o coeficiente de transferência de calor deve englobar a resistência à transferência de calor entre o refrigerante e a placa nas placas metálicas e a resistência devida ao contato imperfeito entre as placas e o produto ou a sua embalagem Se uma boa distribuição do refrigerante nas placas e atingida então a resistência causada pelo contato imperfeito é dominante Para um congelador de contato pobre h varia entre 50 a 100 W m2 K1 enquanto para um congelador de bom contato h tipicamente está na faixa entre 200 a 500 W m2 K1 1552 Congelador a ar forcado São os mais comuns dos congeladores industriais utilizados Itens individuais do produto são colocados sob uma corrente de ar circulante em uma câmara ou túnel O ar e circulado pelos ventiladores os quais estão associados aos evaporadores que providenciam o resfriamento Esse tipo de congelador pode ser simples operando em batelada com carga e descarga manuais do produto ou mais complexos com operação continua automática Figura 153 Os congeladores continuos são desenhados para processar um grande volume de produto têm baixos custos operacionais e geralmente providenciam condições uniformes de congelamento mas são menos flexiveis OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 119 Em sistemas continuos os fluxos do ar e do produto podem ser concorrente ou contracorrente ou ainda fluxo cruzado Uma grande variedade de tipos de produtos tamanhos formatos e embalagens pode ser manipulada nesse tipo de congelador Suas maiores vantagens são i simplicidade ii flexibilidade As desvantagens são as baixas taxas de transferência de calor na superfície do produto limitadas pelo uso de ar o uso substancial de energia e a dificuldade em atingir uma distribuição uniforme do ar Outra desvantagem que deve ser considerada e a significativa perda de massa causada pela evaporação de produtos não embalados Para congeladores a ar forçado o coeficiente de transferência de calor está relacionado com o movimento do ar e depende da natureza do perfil de velocidades do ar do tamanho e formato do produto e da orientação do produto na corrente de ar Figura 152 Desenho esquematico de um congelador de placas descontinuo Fonte Tadini 2018 p 663 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 120 Figura 153 Desenho esquematico de um congelador a ar forçado tipo túnel com paletes do produto e fluxo do ar na direçao horizontal Fonte Tadini 2018 p 663 Para convecção natural velocidade do ar menor que 04 m s1 uma boa correlação para o coeficiente convectivo e dada por Cleland e Valentas 1997 Equação 152 Para diferenças de temperatura entre 2 C e 30 C e adicionando a componente da radiação de 3 a 4 W m2 K1 as Equações 151 e 152 predizem que o valor de h situa se tipicamente entre 5 e 10 W m2 K1 Para convecção forçada movimento do ar por ventiladores de modo que a velocidade do ar seja superior a 10 m s1 as seguintes aproximações foram sugeridas Cleland e Cleland 1992 Equação 153 Equação 154 em que v é a velocidade do ar m s1 Para congeladores tipo leito fluidizado ou de esteira onde os itens do produto são geralmente pequenos e interagem uns com os outros para formar um leito poroso o valor de h tende a ser muito maior do que para os outros tipos de congelador a ar forçado Valores tipicos estão na faixa entre 120 e 200 W m2 K1 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 121 1553 Congeladores por imersao em liquido Nesse tipo de congelador o produto e imerso diretamente em ou aspergido com um liquido refrigerante como salmoura ou solução glicolica O produto geralmente e embalado para prevenir contaminação cruzada entre o líquido e o produto Produtos com formato irregular são facilmente manipulados Apesar de uma alta taxa de congelamento ser atingida esses tipos de congeladores são raramente usados exceto para alguns produtos cárnicos O líquido é refrigerado tanto pela circulação através de um trocador de calor ou pelo resfriamento em serpentinas ou ainda por camisas construídas no tanque do líquido Em sistemas de imersão em liquido somente o coeficiente convectivo e importante Valores de h tendem a ser superiores nos congeladores por imersão em relação aos dos congeladores a ar forçado por causa da densidade e da condutividade termica maiores do líquido se comparadas com as do ar Valores típicos de h para congeladores com salmoura ou solução glicolica variam entre 300 e 600 W m2 K1 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 122 CONCLUSÃO A engenharia de alimentos surgiu no mundo como uma profissão distinta no final da primeira metade do seculo XX e adotou com sucesso a ideia de operação unitária como conceito estruturante fundamental dos vários processos de transformação industrial de produtos alimenticios Tal logica permitiu uma evolução do aprofundamento cientifico e da pesquisa fundamental em contraste com a orientação mais tradicional mais aplicada de tecnologias associadas ao tipo de material processado por meio da identificação de analogias e de principios comuns aplicados naqueles distintos processamentos e integrando os de forma coerente e eficaz Portanto ao finalizar esta disciplina espero que você tenha compreendido o quão importante é o estudo das operações unitárias no universo da produção mundial de alimentos e como dominando mais essa arte e esse conhecimento você se tornará um profissional contribuinte na alimentação da população mundial OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 123 ELEMENTOS COMPLEMENTARES LIVRO Título 10 Humano Autor Alanna Collen Editora Sextante Sinopse Há muito mais coisas em seu corpo do que você poderia imaginar Cerca de 100 trilhões delas para ser mais exatoPara cada célula humana em nosso organismo há outras nove impostoras pegando carona Você não e formado apenas de carne e osso sangue e músculo mas tambem de bacterias e fungos Não e um individuo mas uma colônia um ecossistema Somos apenas 10 humanosAte pouco tempo atrás os microbios eram vistos como invasores inimigos parasitas Estávamos decididos a exterminálos Mas a ciência vem revelando uma historia bem diferente os microorganismos comandam nosso corpo e evoluiram numa relação de estreita simbiose com os humanos e é impossível ser saudável sem elesNeste livro instigante e revolucionário a biologa Alanna Collen apresenta as últimas pesquisas cientificas e mostra de que forma os microbios que habitam o corpo determinam nosso peso o funcionamento de nosso sistema imunologico e ate mesmo nossa saúde mentalAlem disso mostra como as doenças modernas obesidade autismo transtornos mentais problemas intestinais alergias e doenças autoimunes teriam uma causa comum o fato de não estarmos cultivando uma boa relação com nossa colônia pessoal de microorganismos Esta nova perspectiva traz uma boa noticia ao contrário de nossas celulas humanas nossa colônia microbiana pode ser alterada para melhor Depois de 10 Humano você nunca mais vai enxergar seu corpo e sua vida da mesma forma OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 124 FILME Título Contaminação a verdade sobre o que comemos Ano 2023 Sinopse Este documentário fascinante conta com entrevistas reveladoras para examinar os surtos de doenças de origem alimentar nos EUA WEB Iniciativa sem fins lucrativos desde abril de 2012 o Blog Food Safety Brazil tem como objetivo ajudar as empresas de pequeno e médio porte da cadeia produtiva de alimentos a melhorar as suas práticas Um corpo de profissionais voluntários da academia indústria serviço público auditores e consultores compartilha suas vivências incentivando o debate a harmonização e o consenso httpsfoodsafetybrazilorg OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 125 REFERÊNCIAS AWUAH G B RAMASWAMY H S ECONOMIDES A Thermal processing and quality principles and overview Chemical Engineering and Processing v 6 n 6 p 584 602 2007 BALL C O Thermal process time for canned foods Bulletin of the National Research Council Washington National Research Council n 37 7 parte 1 1923 BENNET C O MYERS J E Fenomenos de transporte quantidade de movimento calor e massa São Paulo McGraw Hill do Brasil 1978 BILLET R Evaporation technology Nova York VCH Publishers 1989 BIRD R B STEWART W E LIGHTFOOT E N Fenomenos de transporte 2 ed Rio de Janeiro LTC 2004 BYLUND G Dairy processing handbook Lund Tetra Pak Processing Systems AB 1995 CANEDO E L Fenomenos de transporte Rio de Janeiro LTC 2010 ÇENCEL Y A GHAJAR A J Transferencia de calor e massa uma 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transferência de calor e de massa 6 ed Rio de Janeiro LTC 2008 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II PROFa ANGÉLICA OLIVIER BERNARDI FACULDADE CATÓLICA PAULISTA 127 KAKAÇ S LIU H Heat exchangers selection rating and thermal design Boca Raton CRC 1998 KERN D Q Process of heat transfer Nova York McGraw Hill 1965 LEWIS M J Physical properties of foods and food processing systems Chichester Ellis Horwood 1990 OKOS M R Ed Physical and chemical properties of food St Joseph Asae 1986 OZISIK M N Transferencia de calor um texto basico Rio de Janeiro LTC 1990 PERRY R H CHILTON C H Chemical engineers handbook 5 ed Nova York McGraw Hill 1973 PERRY R H GREEN D W Perrys chemical engineers handbook 7 ed Nova York McGraw Hill 1997 Valiosa fonte de dados de propriedades de fluidos RAHMAN M S Food properties handbook 2 ed Boca Ranton CRC Press 2009 RAO M A RIZVI S S H DATTA A K Ed Engineering properties of foods 3 ed Boca Raton CRC 2005 ROBBERTS T C Food plant engineering systems Boca Ranton CRC 2002 cap 9 p 141 166 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