Slide - Aula 5 - Concentração de Alimentos - Processamento e Tecnologia de Alimentos - 2023-1

02/05/2023 1 ZEA 0567 - PROCESSAMENTO E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS AULA 5: CONCENTRAÇÃO DE ALIMENTOS Prof. David W. Bertan david.bertan@usp.br 2023 Universidade de São Paulo Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos Curso: Engenharia de Alimentos CRONOGRAMA DA DISCIPLINA – EA Diurno (sex 08-12h) Semana Data Atividade 1 17/03 Aula teórica - Introdução à Disciplina 2 24/03 Aula teórica - Branqueamento, Enchimento a quente 3 31/03 Aula teórica - Pasteurização, Esterilização 07/04 Semana Santa 4 14/04 Aula prática 3 - desidratação: 08-10h (Turma A) e 10-12h (Turma B) 21/04 Tiradentes 5 28/04 Aula teórica - Concentração 6 05/05 Aula teórica - Concentração 7 12/05 Aula prática 1 - tratamento térmico: 08-10h (Turma A) e 10-12h (Turma B) 8 19/05 Prova 1 9 26/05 Aula teórica - Desidratação 10 02/06 Aula teórica - Refrigeração, Congelamento 09/06 Recesso Corpus Christi 11 16/06 Aula prática 2 - produção de geleia e avaliação do tratamento térmico: 08-10h (Turma A) e 10-12h (Turma B) 12 23/06 Aula teórica - Extrusão, Irradiação 13 30/06 Aula teórica - Conservadores 14 07/07 Aula teórica - Fritura 15 14/07 Prova 2 28/07 Prova de recuperação IMPORTANTE … CRONOGRAMA DA DISCIPLINA – EA Noturno (sáb 08-12h) Semana Data Atividade 1 18/03 Aula teórica - Introdução à Disciplina 2 25/03 Aula teórica - Branqueamento, Enchimento a quente 3 01/04 Aula teórica - Pasteurização, Esterilização 08/04 Semana Santa 4 15/04 Aula prática 3 - desidratação: 08-10h (Turma A) e 10-12h (Turma B) 22/04 Tiradentes 5 29/04 Aula teórica - Concentração 6 06/05 Aula teórica - Concentração 7 13/05 Aula prática 1 - tratamento térmico: 08-10h (Turma A) e 10-12h (Turma B) 8 20/05 Prova 1 9 27/05 Aula teórica - Desidratação 10 03/06 Aula teórica - Refrigeração, Congelamento 10/06 Recesso Corpus Christi 11 17/06 Aula prática 2 - produção de geleia e avaliação do tratamento térmico: 08-10h (Turma A) e 10-12h (Turma B) 12 24/06 Aula teórica - Extrusão, Irradiação 13 01/07 Aula teórica - Conservadores 14 08/07 Aula teórica - Fritura 15 15/07 Prova 2 28/07 Prova de recuperação IMPORTANTE … i = Branqueamento Ex. + Ervilhas com um D médio = 6 mm (0,006 m) sGo branqueadas para ee —_—_$_———SS—SS8sSeJ<@ fornecer uma Ty = 85 °C (T em seu centro). A T inicial das ervilhas é T; = 15 °C e aT da dgua de branqueamentio é T,, = 95 °C. Calcule o t necessdrio para o de processo. -Assumindo h = 1200 W/m?.°C, k = 0,35 W/m.°C{cp = 3,3 kJ/kg.°C)e p = 980 kg/m; sabendo que L, =D/2. —= Tr, 0)=T, Ty — Tc 2 AL, kt , 0) = >—— = Ciexp(—€; Fo Bi=——* Fo =——— = 7-7 7 p(—¢] Fo) i= pep: ED . tt a t=28,26s~29s 5 © QUESTOES! SSS i = ESCOAMENTO LAMINAR ——__—_——- Conservagao pelo Calor SSS. oe . coat Je eS =e Tempo de residéncia médio no tubo Sie i ESCOAMENTO TURBULENTO ) As: érea da segéo transversal de escoamento = 1 v= 2 L: comprimento do tubo 5 = E- =f BE F ae Ag @: vaste volumétrica (m3/s) SS SF eS Regime Laminar -(2) + Fluido néo-Newtoniano / “ERE Eee Q+1 COCA CoP Vepg = 29 — > Fluido Newtoniano oo HAA ANH _ Cy Coo Regime Turbulento Vig¢ =< = Hy] ANH TT 0,0336 log(Re) + D.0,662 F=SV.D Jo Ln ) £08, Se WL Nested fsjelaiaeeeeetes| Tempo de residéncia da por¢&o do fluido que flui bee L 4] BEEEEEEEEEree —_—_——_—_—_—_. —an—n— nn nnn mais rapidamente é usado > probabilidade mais ™" BOO anda alta de sobreviventes ae ion 4 Taverne crves i, 5 © QUESTOES! SSS k = indice de consisténcia (Pa.s‘n) p> ~~ 3 n = indice de comportamento do escoamento Fluidos Herschel-Bulkley — yi Ty, =To +k y 3 ngs . o oe Plastico de Bingham 2 s _ . s s Tyx = To + Mp. V 3 & —_——__ nnn nnn — — _ aK iS | g ~~_ Pseudoplstico n<1 Ei if Pseudoplastico ou Dilatante $ Sis ‘oS Ty = ky" =n. & yx . nY & 1S 8 _ SS ° 3 a ig -7~” Dilatante n>1 c Newtoniano s = wy ae k Tyx = MY Newtoniano —_——————————— e % Taxa de deformacao Taxa de deformacao, di/dy 02/05/2023 3 ↑ temperatura ↓ aw ↓ O2 ↑ CO2 fermentação + conservante/ antioxidante/antimicrobiano radiação Impede/ controla crescimento microbiano Destruição microbiana ↓ temperatura Quais são as alternativas utilizadas para aumentar a vida útil dos alimentos? branqueamento, pasteurização, esterilização refrigeração, congelamento secagem, desidratação, liofilização radiações ionizantes RECAPITULANDO … Concentração Definição • 3 métodos diferentes (T amb., ↓ T e ↑ T) Objetivos • conservar: ↑ [sólidos] e ↓ Aw • ↓ gastos de energia: concentração antes de outras operações (desidratação, congelamento) • ↓ volume: baratear transporte, armazenamento e distribuição • diversificar a oferta de produtos ZEA 0567 - PROCESSAMENTO E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS AULA 5: SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS Prof. David W. Bertan david.bertan@usp.br 2023 Universidade de São Paulo Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos Curso: Engenharia de Alimentos 02/05/2023 4 Separação por Membranas Definição • remoção da água de alimentos líquidos à T ambiente, sem que haja mudança de fase, por uso de membranas semipermeáveis (microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração, e osmose reversa). Objetivos • uso de energia de forma + eficiente; pela ausência de calor, há poucos danos às propriedades sensoriais e nutricionais dos alimentos (adequada a produtos sensíveis ao calor, aromatizantes, corantes e preparo de enzimas). Separação por Membranas Vantagens •↓ custo de processamento • fácil aplicação e operação • mínima modificação sensorial e nutritiva • não é necessário mudança de fase (evaporação) = ↓ gasto energético Desvantagens • ↑ investimento em bombas • entupimento das membranas • ↑ custo com equipamentos (comparado à evaporação) • limitação quanto a matéria-prima a tratar (solução com ↓[sólidos]) • alcança ↓ grau de concentração que outros métodos (por crioconcentração ou evaporação) Separação por Membranas Aplicações • soro de leite • albumina do ovo • retirada do álcool de cerveja e vinho • concentração do mosto para fabricação de vinho • clarificação e pré-concentração de sucos de frutas • purificação de água, salmoura, e dessalinização da água do mar • concentração de proteínas do leite para fabricação de vários tipos de queijo 02/05/2023 5 Separação por Membranas Aplicações - suco de maçã em indústrias Brasileiras •Fisher -Videira •Tecnovin-Bento Gonçalves •Tecnovin-Vacaria •Tecnovin-Farroupilha •Yakult–Lajes •CajubaCCB -Nova Soure •Cargill -Uchoa •Cargill-Bebedouro •Coimbra –Matão •Coimbra -Bebedouro •Bascitrus-Mirassol •Citrovita-Catanduva •Cutrale-Araraquara •Cutrale -Colina •Citrosuco-Limeira •Citrosuco-Matão Separação por Membranas Particularidades • os produtos resultantes são o PERMEADO (que passa pela membrana) e o CONCENTRADO (que fica retido); cada um pode ser o produto final, conforme o processo; • ao contrário da filtração normal (perpendicular ao filtro), nessas operações o fluxo é tangencial à membrana, o que retarda o entupimento. Filtração convencional Filtração tangencial Separação por Membranas Equipamentos • existem ≠s tipos de sistemas de membranas em uso para alimentos • agrupados de acordo com a força responsável pelo transporte através da membrana • sistemas de P hidrostática: osmose reversa, nanofiltração, ultrafiltração, microfiltração e pervaporação • sistemas em que a diferença de [] é a F motriz: troca iônica e eletrodiálise • 2 principais métodos: • osmose reversa • ultrafiltração Me n~ Tago | OOo Separacdo por Membranas ie Pressdo (bar) Diametro do poro ( um) i 7 * ‘Osmose Reversa 15.150 po ls < 0,001 f ee Nanofittracéo 5.036 => <0,001 Ultrafiltracao 1at0 peo ent 0,001 a0,1 Microfiltragéo <20 pore fas ie ai BS Sa —— —— Proteines = > —_-___— | ad SS Nf Reread Separagdo por Membranas a - Microfiltragso a ee ——_e—_—<=e—_——— ~ Nanofiltrago Osmose inversa Fletrodisiise Pervaporagio . - Pa z ef £ ¢ ~ » w 56 8 8 8 8 8 8 8 Ff 85 Py or oi iy tii 3 —_——__ kn am fons e maléculas Colbides Microparticles pequenss Ill dd | I | | leaks 31 11 exes FF FS z eo ggg ovo ee g & $3 8 ges a 892 2 €e é be F §o8 a Figura 12.17 Esquema das principals operacdes de separacdo por . ana conforme o tamanho ge particula —_—$ $$ Mo n~ Tago | _-e—_—_——— Separacdo por Membranas ie Osmose Reversa = difusGo do solvente da | [] para a + [solvente] ee Equa¢Go de Vant Hoff: enum n= R.T. pa Mgeiiets Comiice MM, Prewsio Ounéticn _j——_— Ity7t“e™ n Relacdo de Gibbs: | 2 " : 2 | ‘A Solucho | Solugho Solugho Diluida | Concentrada Diluida 8 <j Solugho Concentrada 02/05/2023 7 Separação por Membranas Osmose Reversa • emprega ↑↑P (30-60 atm) • separa a água • concentra sais, açúcares de ↓MM e macromoléculas • membranas feitas de poliamidas, polissulfonas e materiais aglomerados de cerâmicas, capazes de resistir T = 80 ºC e pH 3-11 Separação por Membranas Osmose Reversa Aplicações: • clarificar vinhos e cervejas • concentrar extratos naturais • concentração de soro de leite para fabricação de queijo • purificar água de processo e dessalinização da água do mar • bebidas sem álcool (álcool separado junto com parte da água) • pré-concentrar extrato de café, ovo líquido, sucos e derivados de leite antes da evaporação • recuperar proteínas e outros sólidos de resíduos da destilação, sucos diluídos, água residual da moagem ou lavagem de processos Separação por Membranas Osmose Reversa 02/05/2023 8 Separação por Membranas Osmose Reversa Kaiser - Feira de Santana/BA Separação por Membranas Nanofiltração • “osmose reversa livre”, emprega P < que P da osmose reversa • remove íons que contribuem muito para a P osmótica (Π) Separação por Membranas Ultrafiltração • emprega ↓ P (1-6 atm) • separa a água, sais e açúcares de ↓MM e concentra macromoléculas (coloides (1 nm-1 µm), proteínas e carboidratos) • uso de polímeros cerâmicos ou de vidro rígidos; são + espessos que membranas de osmose reversa, resistentes à P, calor, oxidação etc. • alternativa para troca iônica ou eletrodiálise para remover ânions, cátions, açúcares, álcoois ou compostos anti-nutricionais • membranas compostas por 2 partes: • material se suporte macroporoso = material aglomerado (alumina, carbono, aço inoxidável e níquel); D poros permite que o permeado drene para fora livremente • revestimento microporoso na superfície = material inorgânico (vidro e compostos de alumínio, zircônio e titânio); ↑ resistência à T, abrasão e substâncias químicas 02/05/2023 9 Separação por Membranas Ultrafiltração Aplicações: • fabricação de queijos • concentrar massa de tomate • concentração de enzimas, proteínas ou pectina • concentrar soro de leite e remover lactose e sais • tratar efluentes da indústria de cervejas e destilados • concentrar leite antes da fabricação de produtos lácteos • remover bactérias e contaminantes da água de processo Separação por Membranas Microfiltração • um processo entre a filtração convencional a ultrafiltração • semelhante à ultrafiltração, ao usar P < que P osmose reversa • mas é ↑o tamanho das partículas que são separadas; separa partículas dispersas (coloides, glóbulos de gordura etc.) • ficam + rapidamente entupidas que as de osmose reversa ou de ultrafiltração; são lavadas retroativamente (volume de permeado forçado para trás pela membrana) para remover partículas da superfície da membrana Separação por Membranas Pervaporação • técnica de separação por membrana em que mistura do líquido de alimentação é separado por vaporização parcial através de uma membrana não porosa seletivamente permeável • produz um permeado de vapor e um concentrado líquido • membranas de polímeros hidrofílicos (álcool polivinílico, acetato de celulose etc.) ou de polímeros hidrofóbicos (poli-dimetil-siloxano, poli-trimetil-silil-propina etc.) 02/05/2023 10 Separação por Membranas Pervaporação •vaporização parcial alcançada, menos comumente, espalhando um gás inerte sobre o gás permeado (pervaporação a gás) Separação por Membranas Pervaporação •vaporização parcial é alcançada diminuindo a P no lado do permeado da membrana (pervaporação a vácuo) Separação por Membranas Pervaporação Aplicações: • pervaporação a vácuo à T ambiente com membranas hidrofílicas usadas para remover álcool de vinho e cervejas • membranas hidrofóbicos usadas para concentrar compostos aromáticos (álcoois, aldeídos e ésteres) até ~ 100 x da concentração de alimentação • o concentrado é adicionado de volta à um alimento após o processamento (por ex., evaporação) para melhorar suas características sensoriais 02/05/2023 11 Separação por Membranas Troca Iônica • íons metálicos, proteínas, aminoácidos e açúcares são transferidos do material de alimentação • retidos em um material sólido por adsorção eletrostática (atração entre carga de soluto e a carga oposta no trocador de íons) • depois são separados do trocador de íons por lavagem Eletrodiálise • membrana tem íons fixos ligados quimicamente à sua estrutura • corrente elétrica usada para separar eletrólitos de não-eletrólitos e transferir íons pela membrana • uma corrente direta passa por meio da solução, dependendo da carga elétrica, íons ou moléculas migram na direção de um ânodo (+) ou cátodo (-) Separação por Membranas Troca Iônica e Eletrodiálise • são métodos que removem íons e moléculas eletricamente carregadas • força motriz = Δ[iônica] na solução; enquanto na osmose reversa, ultrafiltração etc. é a P hidrostática aplicada ao líquido de alimentação • construídos usando matriz porosa de polianilamidas, poliestireno, dextranos ou sílica Aplicações: • desacidificar sucos de frutas (↓amargor) • desmineralização de água e obter sal da água do mar • recuperação de proteínas do soro do leite ou do sangue • remover K e ácido tartárico de vinhos (evita formar precipitados) Separação por Membranas Configurações de Membranas • 2 principais configurações: • tubular • fibra oca • tubo largo • placas • placas e molduras • cartuchos espiralados 02/05/2023 12 Separação por Membranas Configurações de Membranas - fibra oca • Aplicações: osmose reversa (dessalinização), ultrafiltração para líquidos de ↓ µ que não contenham partículas (pela ↓ P e fluxo laminar) • Vantagens/Desvantagens: são + caros, mas a limpeza é fácil e não entopem facilmente membrana de fibra oca Separação por Membranas Configurações de Membranas - fibra oca Fonte: PAM –Membranas Seletivas Ltda UFRJ –Rio de Janeiro -RJ 50 a 1.000 fibras D = 0,001-1,2 mm L = 1 m Separação por Membranas Configurações de Membranas - fibra oca 02/05/2023 13 Separação por Membranas Configurações de Membranas - tubo largo • vários tubos de aço inoxidável perfurados são fabricados como um TC casco e tubos, sendo cada tudo revestido por uma membrana • tubo oferece suporte à membrana contra ↑ P aplicada • tampas especiais na extremidade conectam até 20 tubos com L = 1,2-3,6 m e D = 12-25 mm, dispostos em série ou paralelo, dependo da aplicação • funciona em condições turbulenta e maiores taxas que sistemas de fibra oca • conseguem lidar com líquidos + viscosos e pequenas partículas • menos susceptíveis a entupimentos e adequados para CIP Separação por Membranas Configurações de Membranas - tubo largo Separação por Membranas Configurações de Membranas - tubo largo 02/05/2023 14 Separação por Membranas Configurações de Membranas - placas e molduras • dispositivo + comum na indústria química • TC a placas com membranas empilhadas com espaçadores intermediários e placas coletoras do permeado • Vantagens: ↓ custo e flexibilidade de manutenção, ↑ A sup. em ↓ V • Desvantagem: necessidade de desmontagem manual periódica Separação por Membranas Configurações de Membranas - placas e molduras Separação por Membranas Configurações de Membranas - placas e molduras 02/05/2023 15 Separação por Membranas Configurações de Membranas - cartuchos espiralados • camadas alternadas de suporte de membranas de polissulfona e de polietileno enroladas em volta de um tubo central oco separados por um canal de tela espaçadora e drenadora • cartucho de L ~ 1 m e D = 12 cm • alimento entra no cartucho e flui tangencialmente pela membrana • permeado flui pelos canais e, em seguida, pelo tudo central • concentrado sai pela outra extremidade do cartucho • Vantagens/Desvantagens: ↓ necessidade de bombas, ↓ custo e cada vez + populares Separação por Membranas Configurações de Membranas - cartuchos espiralados Separação por Membranas Configurações de Membranas - cartuchos espiralados 02/05/2023 16 Separação por Membranas Configurações de Membranas - cartuchos espiralados Separação por Membranas Configurações de Membranas - cartuchos espiralados Separação por Membranas Efeitos nos Alimentos • objetivo é remover componentes dos alimentos, portanto, alteram a composição e/ou melhoram propriedades sensoriais dos produtos resultantes • alterações nutricionais são resultado da remoção física dos componentes do alimento, mas há boa retenção de nutrientes • vitaminas lipossolúveis, retinol, caroteno e vitamina D são removidos da gordura do leite quando separada do leite desnatado; e são concentrados no creme de leite e manteiga • ao contrário, vitaminas hidrossolúveis e minerais ficam ~ inalteradas no leite desnatado; mas com ↓[] no creme de leite e manteiga 02/05/2023 17 Separação por Membranas Efeitos nos Microrganismos • filtração por membranas remove microrganismos (leveduras, mofo e bactérias) e é usada no controle microbiológico de bebidas • mas os vírus são concentrados no líquido de saída •padrões inadequados de higiene ou controle de qualidade podem permitir contaminação dos alimentos durante ou depois do processamento e, posterior, deterioração e toxicidade Conservação pelo Calor Milho em lata deve ser processado termicamente a uma T = 121,1 ºC até atingir uma redução de 99,999% do C. botulinum. Qual deve ser o tempo de processo a essa T para atingir o valor de esterilização (SV) desejado? EXERCÍCIO ZEA 0567 - PROCESSAMENTO E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS AULA 5: CRIOCONCENTRAÇÃO Prof. David W. Bertan david.bertan@usp.br 2023 Universidade de São Paulo Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos Curso: Engenharia de Alimentos 02/05/2023 18 Crioconcentração Definição • remoção da água de alimentos líquidos por congelamento (remoção de calor) da água e posterior remoção do gelo usando filtração ou centrifugação. Objetivos • uso do congelamento para produzir concentrados de ↑ qualidade (↓ T mantém qualidade sensorial e nutricional do produto) ou pré- concentrar produtos antes da secagem convencional (↓ custo). Crioconcentração Vantagens • ~ ideal de concentrar alimento sem alterar outros componentes • uso de ↓ T provoca retenção de compostos aromáticos voláteis, ↓ perdas sensoriais e nutricionais • alcança ↑ grau de concentração que nos processos com membranas Desvantagens • ↑ custo de energia • ↑ custo de instalações e operação • uso de ↓ T provoca ↓ efeito sobre enzimas e microrganismos • ↓ capacidade de produção em comparação à evaporação • alcança ↓ grau de concentração que nos processos por evaporação Crioconcentração Aplicações • ↑ da [álcool] no vinho • extrato de café de ↑ qualidade • chás de camomila, verde e preto • extratos de ervas, carnes, leveduras e algas marinhas • vinagre balsâmico, branco e cidra (única técnica viável) • ↓ tempo de envelhecimento e ↑ estabilidade de cervejas • sucos de frutas nobres (goiaba, caju, frutas vermelhas, cítricos etc.) • essências de laranja e hortelã, leite de soja e concentrado proteico de soja 02/05/2023 19 Crioconcentração Equipamentos Componentes básicos: • sistema de congelamento (TC de superfície raspada) = produzir cristais de gelo no alimento liquido • tanque misturador (cristalizador) = permitir crescimento dos cristais, sob agitação lenta; caldo de cristais é recirculado no TC para manter a ↓ T • separador = remover cristais da solução concentrada, lavá-los, derreter os cristais e descartar água pura; remover o concentrado restante, que é recirculado pelo cristalizador até a concentração de sólidos alcançar o nível desejado Crioconcentração Equipamentos alimentação cristalizador água de ↑ pureza TC concentrado pasta de gelo reciclagem separador Crioconcentração Equipamentos . ~ Crioconcentragdo Aspectos Teéricos - desejdvel que os cristais de gelo cresgam até o ft tamanho economicamente possivel, para | quantidade de_ liquido concentrado preso entre os cristais * ocorre no cristalizador - agita¢Go lenta de uma polpa espessa de gelo, permite que cristais grandes cres¢am as custos dos pequenos 2 a eo A R -12) 3 16 D S at 2002~C*~*«S a Concentragso de edlidas (%) FIGURA 22.5 Curvas de pontos de congelamento: curva A = extrato de café; curva B = suco de maga: curva C = suco de amora: curva D = vinho. (Segundo Kessler, 1986.) . ~ Sn Crioconcentragdo Aspectos Teéricos - eficiéncia de separagao de cristais do liquido concentrado é 50% para a centrifuga¢ado, 71% para a filtrag¢ao a vacuo, 89-95% para a filtragdo a ft P e 99,5% para coluna de lavagem fragdo massica de fragdo massica de sdlidos no liquido apés sdlidos no gelo apdés o congelamento a separagdo ee .VvWo“ VCO SS NN = eficiéncia de om) =, OX separacdo sep (%) nm Xx ———— SsSsSsSsSSsSsSSsSssssssssssF frag¢do massica de gelo fragdo massica na mistura congelada de suco antes do oo antes da separa¢ao congelamento Universidade de Sao Paulo Saw Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos ‘Am ee Curso: Engenharia de Alimentos JEIMIE a. ieee va. ES a 7 wt! ZEA 0567 - PROCESSAMENTO E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS AULA 5: EVAPORACAO Prof. David W. Bertan david.bertan@usp.br ——— eee 2023 02/05/2023 21 Evaporação Definição • remoção da água de alimentos líquidos por ebulição (aplicação de calor); componentes mais voláteis podem ser removidos com o vapor de água (podem ser recuperados e readicionados no produto concentrado). Objetivos • uso do calor para remover água e/ou componentes mais voláteis do alimento líquido pela diferença de pressões de vapor (+ volatéis os de ↑ Pvap); ↑ [sólidos] do alimento contribui para a preservação pela ↓ Aw e ↓ custo de armazenamento. Evaporação Vantagens • + barato • alcança ↑ grau de concentração que outros métodos (por membranas e crioconcentração) Desvantagens • perda de aromas • alterações de sabor e aroma e perdas nutricionais • cor + intensa (↑ [sólidos] e ↓ Aw favorece reações químicas) • ↑ gasto de energia que os outros métodos (por membranas e crioconcentração) Evaporação Aplicações • pasta de tomate e alho • confeitos de açúcar • leite condensado e evaporado • geleias e marmeladas • licores de frutas para diluição • sopas concentradas • concentrar salmouras para produzir sal • concentrar xaropes para produzir açúcar cristalizado 02/05/2023 22 Evaporação Aspectos Teóricos Ocorre quando moléculas de água obtém energia suficiente p/ “escapar” como vapor da solução de um sólido ou de líquido não volátil. Pressão de vapor no líquido deve exceder a pressão de vapor no ar Evaporação Aspectos Teóricos Ocorre quando moléculas de água obtém energia suficiente p/ “escapar” como vapor da solução de um sólido ou de líquido não volátil. Q = U.A.T A = área de transferência de calor U = coeficiente global de transferência de calor T = diferença de T entre o meio de aquecimento e produto Taxa de evaporação das moléculas de água depende: - Temperatura do líquido ou solução - Temperatura do meio ao redor - Pressão acima do líquido - Área superficial de contato - Tipo de evaporador (U) Evaporação Aspectos Teóricos • P (nível do mar) = 760 mmHg ou1 atm; água ferve a 100 ºC • ↑ vácuo → ↓ P no líquido na ebulição → ↓ T ebulição Vácuo - remover água em ↓ T com menores danos a produtos termo-sensíveis 02/05/2023 23 Evaporação Fatores que afetam a eficiência da evaporação • Variação da T: • quanto ↑ ΔT entre a T do vapor e a T ebulição do produto, ↓ t • Concentração do produto: • quanto ↑ [produto], ↑ T ebulição para uma mesma P • Incrustações: • quanto ↑ incrustação, ↓ TC • Espumas: • proteínas e carboidratos formam espumas, que ↓ TC • Arraste: • produto pode ser arrastado pelo vapor (uso de separadores) Evaporação Equipamentos (evaporadores) Classificação: • Fonte de calor: vapor, fogo direto, solar, etc. • Posição dos tubos: horizontal, vertical ou inclinado; • Métodos de circulação do produto: forçado ou natural; • Comprimento dos tubos: longo, médio ou curto; • Direção do fluxo de produto: ascendente ou descendente; • Número de passes do produto: 1, 2, ou mais; • Formato dos tubos: espiral, reto, etc. • Localização do vapor: interno ou externo ao tubo, ou ambos; • Localização dos tubos: interno ou externo. Evaporação Equipamentos (evaporadores) • com circulação natural • tachos abertos e à vácuo • evaporadores de tubo vertical ou horizontal • evaporadores de filme ascendente ou descendente • com circulação forçada • evaporadores de placas Vapor d´água Condensado Líquido de alimentação Líquido do produto Saída de vapor 02/05/2023 24 Evaporação Equipamentos (evaporadores) • com circulação natural • tachos abertos e à vácuo • evaporadores de tubo vertical ou horizontal • evaporadores de filme ascendente ou descendente • com circulação forçada • evaporadores de placas • + comuns na indústria de alimentos • múltiplo efeitos • de filme descendente Evaporação Evaporadores tipo tacho • tanques encamisados aquecidos por vapor que passa por tubos internos ou por camisa externa ou por aquecedores elétricas • geralmente equipados com tampas e operam a vácuo • Vantagens/Desvantagens: ↓ custo, relativamente fáceis de montar e manter, tem ↓ A contato com o alimento, ΔT devem ser ↓ para evitar incrustações, ↓ U (coeficiente global de T.C.) e ↓ capacidade de evaporação • agitadores ou pás ↓ incrustações e ↓ δ camada-limite, portanto ↑ U Evaporação Evaporadores tipo tacho Tachos para cozimento e concentração de geleias e doces Sopas, molhos, marmeladas... a vácuo aberto 02/05/2023 25 Evaporação Evaporadores de tubo horizontal • TC de casco e tubos (100-160 tubos) • não muito usada em instalações novas • líquidos de ↓µ e com pouca tendência a formar espuma • produtos muito viscosos tem risco de queimadura e incrustação • disposição dificulta a circulação do líquido Evaporação Evaporadores de tubo horizontal Evaporação Evaporadores de tubo vertical • TC de casco e tubos (100-160 tubos) • mais utilizados na indústria alimentícia que o anterior • tubos estão na vertical no fundo da câmara cilíndrica (+ fácil de higienizar que o horizontal) • favorece correntes convectivas no alimento • xaropes - solução de açúcar (cana, beterraba, glicose, extrato de malte, suco de frutas) 02/05/2023 26 Evaporação Evaporadores de filme ascendente • conjunto vertical de tubos dentro de uma câmara de vapor • tubos de D = 2,5-5 cm e L = 3-15 m para movimentar o líquido dentro dos tubos Fonte: www.niro.com Vapor de Aquecimento Produto Vapor Concentrado Condensado Evaporação Evaporadores de filme ascendente • liquido entra pela parte inferior • expansão do vapor arrasta o produto de forma ascendente • ebulição inicia dentro dos tubos • à medida que a solução sobe pela parede do tubo é formado + vapor • prato defletor no topo do feixe de tubos evita arraste de líquido • ↑ U, ↑ eficiência térmica → ↓ t • adequado para alimentos sensíveis ao calor e ↓µ: sucos cítricos, produtos lácteos, extrato de levedura, amido Evaporação Fonte: www.niro.com Vapor de Aquecimento Produto Vapor Condensado Concentrado Separador de vapor Cabeça Calandria Calandria (baixa) Canal de mistura Evaporadores de filme descendente • princípio similar ao anterior, mas alimentação é no topo por bicos de forma uniforme em cada tubo • F gravidade > F que surge da expansão do vapor no fluxo ascendente • t < t do fluxo ascendente • apropriado para alimentos de ↑µ • nº de efeitos não é limitado (até 10 efeitos), como no caso do fluxo ascendente 02/05/2023 27 Evaporação Evaporadores de filme descendente Evaporação Evaporadores de placas • TC de placas com vapor de ↓ P entre as placas e o produto em posições alternadas • vapor é alimentado pelo topo • produto se move da base para o topo entre as placas, como no evaporador de filme ascendente • ondulações nas placas causa turbulência e gera ↑ U (↑ TC) • apropriado para produtos sensíveis ao calor (extratos de café, de leveduras, produtos lácteos, gelatina concentrada, suco de frutas concentrado etc.); mas não com ↑ [sólidos suspensos] • Vantagens/Desvantagens: + caros, ↓ t evaporação, ocupa pouco espaço, fácil desmontagem e limpeza Evaporação Evaporadores de placas Fonte: www.niro.com Calandria Vapor Separador Condensado Concentrado Vapor de Aquecimento Vapor Produto 02/05/2023 28 Evaporação Evaporadores de placas Fonte: www.apv.com Evaporação Alternativas para economia de energia na evaporação • múltiplos efeitos • recompressão de vapor • pré-aquecimento do produto Evaporação Múltiplos Efeitos • sistema onde vários evaporadores são conectados em série • vapor da caldeira é meio de aquecimento apenas do 1º evaporador • vapor gerado durante a ebulição do produto será o meio de ebulição do produto no evaporador seguinte • ↓ T ebulição mínima do produto = 6-8 ºC por efeito • evaporação conseguida através do crescente aumento do vácuo em cada evaporador 02/05/2023 29 Evaporação Múltiplos Efeitos Evaporador de triplo efeito com alimentação frontal ou dianteira Evaporação Múltiplos Efeitos • Vantagem: • economia de vapor (análise econômica) Quantidade de vapor(kg) necessária para evaporar 1 kg de água Efeito Kg de vapor Simples 1,17 Duplo 0,57 Triplo 0,37 Quadruplo 0,28 Quintuplo 0,23 Sextuplo 0,19 Sétuplo 0,17  68% Evaporação Múltiplos Efeitos • Vantagem: • economia de vapor (análise econômica) • Desvantagem: • ↑ investimento • ↑ custos operação e manutenção de equipamentos • Justificados quando taxa de evaporação > 1.300 kg/h; senão, usa-se evaporador de simples efeito com recompressão de vapor 02/05/2023 30 Evaporação Recompressão de Vapor • ↑ eficiência utilizando energia similar a um evaporador de duplo efeito • energia é adicionada ao vapor removido do evaporador por um compressor mecânico (recompressão mecânica) ou jato de vapor (recompressão térmica) • Objetivo: ↑ P e, assim, a T do vapor, a um ponto acima da T de condensação, até que o calor latente possa ser removido Evaporação Recompressão de Vapor Evaporação Pré-aquecimento do Produto vapor leite condensado concentrado A B Fonte: www.apv.com Compressor ou Jato de vapor 02/05/2023 31 Evaporação Efeitos nos Alimentos • dependendo do tipo de equipamento, T operação e da t residência a evaporação pode produzir alimentos concentrados com ↓ mudanças sensoriais ou nutricionais • perdas de aromas (ésteres, aldeídos e terpenos) ↓ sabor de sucos concentrados, mas a perda de voláteis desagradáveis melhora a qualidade de produtos • escurecimento de alimentos pela concentração de sólidos e pela reação de Maillard (pela ↓ Aw) causa mudanças nas antocianinas e outros pigmentos de produtos derivados de frutas • pode haver ↑ perdas de vitaminas no leite evaporado e condensado (60% para vitamina C e 80% para vitamina B12) Evaporação Efeitos nos Microrganismos • sucos concentrados são conservados pela acidez natural e ↓ Aw • concentrados congelados são conservados por congelamento • sucos e leite são pré-aquecidos porque ↓ T usadas na evaporação são insuficientes para destruir enzimas e microrganismos contaminantes • leite concentrado a 30-40% de sólidos totais permanece suscetível ao crescimento microbiano; para ↑ vida de prateleira é esterilizado em latas sob condições assépticas Comparação de tempo de residência entre evaporadores Evaporador t residência Tachos à vácuo (simples estágio) > 30 min Filme ascendente (simples estágio) 10-60 s Filme descendente (simples estágio) 5-30 s Placas (triplo estágio) 2-30 s 02/05/2023 32 Comparação entre os processos de concentração Processo [ ] máxima alcançada Ultrafiltração 28% Osmose reversa 30% Crioconcentração 40% Evaporação em triplo efeito 80% Referências FELLOWS, P.J. Tecnologia do Processamento dos alimentos: princípios e práticas. Porto Alegre: Artmed, 2006. Capítulo 6.5 e 11. GAVA, A. J.; SILVA, C.A.B.; FRIAS, J.R.G. Tecnologia de Alimentos: princípios e aplicações. São Paulo: Nobel, 2009. p. 325-341. ORDÓÑEZ, J.A. Tecnologia de Alimentos: componentes dos alimentos e processos. São Paulo: Artmed, 2005, Capítulo 13. MUITO OBRIGADA PELA ATENÇÃO!