Operações Unitárias I

As linhas de processamento de alimentos (plantas) podem ser constituídas por uma sequência de etapas diferentes, que tem princípios fundamentais similares, independentemente do alimento que está sendo processado. A operação de cada uma dessas etapas é conhecida como Operação Unitária. As operações unitárias compreendem a transferência de massa, calor e/ou quantidade de movimento, podendo esses processos ocorrerem isoladamente ou em combinação entre eles. As operações unitárias que podem ser encontradas nas indústrias de alimentos são:

Transferencia de Impulso: Bombeamento de líquidos, escoamento gravitacional, ventilação e compressão (gases), decantação, centrifugação, agitação e mistura, atomização, movimentação de fluidos através de meios porosos, fluidização, transporte pneumático e hidráulico, filtração e ultrafiltração, separação em ciclones, prensagem, fluxo a granel, peneiramento, moagem e trituração e compactação de sólidos.

Transferencia de Calor e/ou Massa: Branqueamento, cozimento e fritura, pasteurização e esterilização, evaporação e condensação, crio-concentração, refrigeração, geração de vapor, destilação, absorção gasosa, umidificação e desumidificação do ar, secagem, extração líquido-líquido e sólido-líquido, cristalização, separação por membranas, desaeração.

Funcionamento de uma operação unitária:

Pelo princípio da conservação da massa, o somatório das matérias primas que entram no processo deve ser igual ao somatório das massas do produto, das perdas, e do acumulo de massa no sistema. Da mesma forma, a energia inserida no processo deve ser igual à energia que sai com o produto, com as perdas (ambiente e resíduos) e a acumulada no sistema.

A função do profissional responsável é dimensionar, selecionar e operar adequadamente o equipamento requerido para cada operação, de maneira que o produto obtido tenha o máximo de qualidade com um mínimo de perdas.

O estudo teórico dos princípios físicos e químicos nas operações e sua utilização na prática são complementares e necessários para o entendimento de funcionamento tanto na operação unitária isolada, como de sua função em toda a linha de produção.

Umidificação/Desumidificação

São utilizados para controlar a umidade de um ambiente ou para resfriar a água mediante o contato com o aro. Essas operações envolvem a transferência de massa e calor nas fases gasosa (ar) e líquida (água), e a transferência de massa de uma fase para a outra está envolvida com o calor latente associado à condensação e/ou evaporação. Nesses processos, a temperatura da interface gás/líquido se ajusta, de maneira que no estado permanente, a taxa de transferência de calor nas fases distintas compensa a taxa de transferência de calor equivalente à de transferência de massa.

O controle da temperatura e umidade do ar de um ambiente é de particular importância no armazenamento a frio de produtos biológicos (carnes, pescado, frutas, legumes, etc) onde parte da umidade do ar ambiente é condensada no sistema de refrigeração deixando o ar relativamente seco. Se esse ar não for umidificado artificialmente, retirará umidade do produto estocado causando perdas (peso ou qualidade) através do ressecamento das camadas externas do produto.

Processos de Umidificação do ar

Injeção de vapor: Vapor superaquecido é injetado no duto de ar recirculante ou diretamente na câmara. Precauções devem ser tomadas para a retirada de vapor que se condensa principalmente nos dutos. O controle da injeção de vapor pode ser feito através de uma válvula operada com ar comprimido, controlada por um umidistato instalado na câmara ou no duto de ar. Quando esse ar está com uma umidade abaixo do valor pré-estabelecido, o umidistato fecha um circuito elétrico, acionando a válvula de injeção de vapor.

Um exemplo comparativo de um sistema de umidificação por injeção de vapor pode ser um nebulizador doméstico, onde um pequeno compressor impulsiona o ar ambiente através de

uma solução (soro), criando uma pequena nuvem de vapor, na temperatura ambiente, inalada pelo paciente.

Injeção de água líquida

O líquido é dispensado na corrente de ar na forma de uma névoa grossa. O fluxo de ar deve estar a uma baixa velocidade ou o duto deve ser suficientemente longo para permitir o tempo necessário de contato ar-água para a mudança de estado da fase líquida para a gasosa. Anteparos aproximados existentes na câmara de umidificação são utilizados para retirar as gotículas de água que não se vaporizaram.

Na mudança de estado, a água retira calor do ar, que consequentemente é resfriado. A contínua recirculação da água líquida, sem adição ou retirada de calor para/ou do meio externo, leva essa água à sua temperatura de saturação adiabática, através da evaporação. Como a quantidade de água evaporada é pequena comparada com o total de líquido em circulação a água de reposição adicionada ao sistema praticamente não altera a temperatura de saturação adiabática da agua em circulação.

Torre de umidificação

O processo de umidificação do ar em uma torre tem similaridades com o processo de injeção de água líquida. Aqui a umidificação se dá através do contato do ar com a água na forma líquida, não nebulizada. A água é reciclada na torre e quando necessário, água de reposição é introduzida no sistema. Esse contato ar-água é realizado em contra corrente, com a água entrando na parte superior da torre, isto é, materiais do interior da torre para aumentar a área de troca de calor e massa ou então por correntes transversais, com a água descendo por gravidade, no mesmo princípio anterior, e o ar passando perpendicularmente ao fluxo do liquido. Aqui a água também atinge sua temperatura de saturação adiabática.

A área interfacial a é um termo difícil de ser calculado, uma vez que o líquido descendente não molha toda a área de recheio, além de variar com as vazões do liquido. Este termo é combinado com o coeficiente de transferência de massa, para formar um novo coeficiente, Kya, que pode ser determinado experimentalmente para uma torre especifica com vazões dos fluidos conhecidas.

Torres de resfriamento de ar

Esse processo tem similaridades com o discutido anteriormente, onde uma quantidade de ar limitada era reciclada através da agua na forma liquida causando umidificação e abaixamento da temperatura do ar. Nas torres de resfriamento de água, uma quantidade limitada de água é reciclada, entrando em contato com um fluxo de ar não reciclado. A vaporização de uma parte da água causa a diminuição da temperatura da água remanescente, que é utilizada para resfriamento de equipamentos em trocadores de calor na indústria.

Essas torres são utilizadas para economizar água por meio de sua reciclagem. A água quente é distribuída na parte superior da torre, escoando para baixo por gravidade, através do recheio da torre, entrando continuamente em contato com o ar, que escoa para cima ou transversalmente por convecção natural ou forçada. O calor latente da água que é vaporizada causa a diminuição da sua temperatura. Nesse processo, a água não atinge sua temperatura de saturação adiabática, pois ocorre introdução de energia no sistema.

Evaporação

As operações de evaporação e cristalização envolvem uma transferência simultânea de calor e massa. Fornecendo calor ao sistema nas condições apropriadas parte do solvente é evaporado e a solução torna-se mais concentrada. Se o processo evaporativo é conduzido até que a solução se torne saturada pelo soluto, o prosseguimento da evaporação ou o resfriamento da mesma leva à precipitação dos cristais sólidos (cristalização).

Nos processos de evaporação (separação dos componentes voláteis dos não voláteis), usualmente o produto desejado é a solução concentrada e o solvente evaporado é a água. Em certos casos porém, o produto desejado é o solvente evaporado (obtenção de água potável a partir de água salobra).

Em processos industriais: Equipamentos de grande área de troca térmica em função da quantidade de produto, ebulição violenta e evolução de vapor bastante rápida;=.

Na indústria alimentícia: Pastas (doces e tomates), concentração de sucos cítricos e leite, produção de açúcar, etc.

Características do processo que influem diretamente no tipo de evaporador:

Concentração do líquido: Geralmente a alimentação é líquida e bastante diluída ou seja, de baixa viscosidade. Conforme vai ocorrendo a evaporação, a solução é concentrada e sua viscosidade pode elevar-se bastante (alimentos contendo amido sob ação da temperatura do processo virando gelatina);

Sensibilidade térmica: Certos produtos podem sofrer uma degradação de suas propriedades em função da temperatura e tempo de exposição. Equipamentos sem reciclagem e curto período de residência devem ser utilizados para tal.

Formação de espuma: Sem o devido cuidado, a espuma formada por alguns alimentos como o leite durante sua ebulição podem ser arrastadas com o vapor que sai do evaporador, havendo perdas do produto.

Pressão e Temperatura: O ponto de ebulição da solução está relacionado com a pressão do sistema. Materiais termossensíveis podem exigir equipamentos que trabalhem a vácuo para o abaixamento do ponto de ebulição da solução (que está relacionada com a pressão do sistema)

Incrustações: A diminuição da solubilidade da solução devido a concentração causa a deposição de material nas paredes do trocador de calor. Os equipamentos p/ alimentos devem ser projetados visando eliminar esse problema e facilitar a limpeza durante ou no final da operação;

Material: deve-se evitar a corrosão (que modifica o “flavor” dos alimentos) escolhendo um material adequado para o processo (aço inox);

Tipos de evaporadores:

Tacho aberto: Sistema de aquecimento por camisa de vapor ou fogo direto, matéria prima em seu interior agitada manualmente ou mecanicamente. Aplicação em fabricação de doces em pasta (concentração e cozimento). Simples, de fácil manuseio e versatilidade. Há um desperdício do calor trocado com o ambiente e parede externa do equipamento.

Tubos Horizontais: O vapor de água passa por dentro dos tubos, onde é condensado e a mistura a ser concentrada é carregada acima do feixe de tubos descendo por gravidade. Utilizado para fluidos de baixa viscosidade e que não formem incrustações. Raramente usado na indústria alimentícia (limpeza externa difícil aos tubos).

Tubos verticais: Limpeza mais fácil do que o item anterior podendo ser feita por um feixe de escovas devidamente posicionado de maneira que cada escova entre em um tubo, limpando-os simultaneamente. O vapor de água passa e é condensado externamente aos tubos. A carga é realizada na parte superior para os tubos curtos descendo pelo centro. Nos tubos longos, a carga é realizada na parte inferior e descarregada a partir da parte superior. Devido a ebulição e diminuição da densidade, a solução dentro dos tubos é impulsionada para cima por circulação natural.

Circulação forçada: o fato da mistura ser impulsionada mecanicamente através dos tubos neste tipo de equipamento, permite que o mesmo seja utilizado com fluidos de relativamente alta viscosidade. Parte da solução é recirculada, fato muito indesejável para alimentos (degradação das propriedades alimentícias e/ou vitamínicas em alimentos termossensiveis) pela longa permanência a altas temperaturas.

Filme líquido descendente (Flash): O fluido é injetado na parte superior de tubos longos verticais de grande diâmetro, escorrendo pelas paredes dos tubos, paralelamente com o vapor de aquecimento do lado externo. Na parte inferior a solução concentrada é retirada. Devido ao curto tempo de residência da mistura dentro do equipamento e a inexistência de recirculação, esse tipo de evaporador é muito empregado na indústria de alimentos, sendo limitado apenas para soluções de alta viscosidade.

Película turbulenta: Alimentação feita através de bombeamento da mistura por um tubo de passagem e esborrifada nas paredes de um tubo de grande diâmetro, com camisa externa de vapor. Este tubo de passagem e esborrifamento é um sistema de rotor, onde as facas de raspagem são intercaladas aos esborrifadores. A solução concentrada é retirada da parte inferior. Por suas características de bombeamento e raspagem, este tipo de equipamento pode ser dimensionado e regulado para operar em diversos regimes, inclusive possibilitando a secagem propriamente dita da solução.

Solar: A operação de dessalinização de água para obtenção de água potável a partir de água salobra é um processo de evaporação, pois separa componentes voláteis (água) de não voláteis (sais), e não um processo de destilação como comumente referenciada. Este difere dos anteriores por ser realizado a uma baixa taxa evaporativa, sem ebulição. O vapor de água produzido pelo aquecimento da solução pelos raios solares, ao atingir a cobertura, geralmente de vidro, que está mais fria, é condensado e recolhido. A inconveniência desse sistema é a formação de incrustações de sais, difíceis de serem removidas, que diminuem o rendimento do evaporador, por refletirem a energia incidente.

Evaporadores de simples efeito

São constituídos por uma única unidade isolada onde o vapor produzido, ou seja, retirado da solução que está sendo concentrada, sai do evaporador e é perdido no ambiente, ou então passa por um condensador para que o líquido quente seja utilizado em outro processo, ou então ser conduzido à caldeira. Esse método produz grande quantidade de vapor a baixa pressão e qualquer que seja o seu destino final, sempre haverá grandes perdas de energia, mesmo que se reaproveite a água quente. Nesse caso, a energia de condensação é perdida.

Evaporadores de múltiplo efeito

Equipamentos para utilizar o vapor produzido em um estágio, nos estágios subsequentes. Segundo o esquema abaixo, tanto o vapor produzido como o produto que sai do primeiro estágio, entram em um segundo estágio, onde o processo evaporativo continua. Como em processos evaporativos, o principal custo de operação é o vapor consumido, este tipo de equipamento, apesar de ter um custo inicial maior do que o de simples efeito, pode ser mais econômico a médio e longo prazo. Podem operar com fluxo de vapor e de produto em uma mesma direção, em correntes paralelas ou em direções opostas, em contra-corrente.

Em sistema de correntes paralelas, como mostrado abaixo, tem a vantagem de não precisar de bombas para a movimentação do produto do primeiro para o segundo estágio, e nem do segundo para o terceiro, pois P1>P2>P3, porém tem a desvantagem de que não há grandes diferenças e temperaturas entre o vapor e o produto, no segundo e terceiro estágios.

Quando o sistema opera em correntes opostas, como mostrado abaixo, há a necessidade de bombas entre os estágios, o que encarece o sistema, porém tem a grande vantagem da maior diferença de temperatura entre o vapor e o produto em todos os estágios, facilitando o fluxo de calor, logo, a taxa evaporativa.