Operações Unitárias na Indústria de Alimentos

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1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Londrina Departamento Acadêmico de Alimentos Operações Unitárias na Indústria de Alimentos Operações Unitárias na Indústria de Alimentos PROFESSORA MARIANNE AYUMI SHIRAI Introdução Compreender a natureza de um processo produtivo, desde aspectos microscópicos (propriedades físico-químicas, grandezas termodinâmicas e fenomenológicas), até aspectos macroscópicos (balanço de massa e energia, detalhamento de equipamentos e acessórios, instrumentação); Compreender o processamento de uma determinada matéria-prima para obter certo produto: Matéria-prima Transformação Produto 1

2 Processo simplificado de produção de cerveja Classificação da Operações Unitárias 1) OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE QUANTIDADE DE MOVIMENTO São operações em que duas fases em diferentes velocidades são colocadas em contato Circulação interna de fluidos: movimento de fluidos através de tubulação e dispositivos para mediar as propriedades dos fluidos; Circulação externa de fluidos: fluido circula pela parte externa do sólido (fluidização e transporte pneumático) Movimentação dos sólidos dentro de fluidos: separação de sólidos em um meio fluido (sedimentação, filtração). 2

3 Classificação da Operações Unitárias 2) OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR o São controladas pelo gradiente de temperatura e dependem do mecanismo pelo qual o calor é transferido. o Aquecimento e resfriamento de fluidos o Condensação o Ebulição o Evaporação o Liofilização o Transferência de calor por radiação Classificação da Operações Unitárias 3) OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA o São controladas pela difusão de um componente dentro de uma mistura Desidratação Extração Separação por membranas Cristalização Destilação Adsorção Troca iônica Absorção 3

4 Classificação da Operações Unitárias 4) OPERAÇÕES COMPLEMENTARES o Redução de tamanho: moagem e homogeneização o Peneiramento Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Londrina Departamento Acadêmico de Alimentos Operações Unitárias na Indústria de Alimentos Filtração PROFESSORA MARIANNE AYUMI SHIRAI 4

5 Filtração - Definição Consiste em separar mecanicamente as partículas sólidas de uma suspensão líquida com auxílio de um leito poroso (filtro); O sólido da suspensão fica retido sobre o meio filtrante, formando um depósito denominado de torta e cuja espessura vai aumentando no decurso da operação; O líquido que passa através do leito é o filtrado; Durante a filtração, na formação da torta, o fluido passa através de duas resistências em série: a da própria torta e do meio filtrante; A força motriz depende do modelo do filtro: Próprio peso da suspensão (gravidade) Pressão aplicada sobre o líquido ( P na alimentação) Vácuo ( P na saída) Força centrífuga ( Vω) Filtração A filtração industrial difere da filtração de laboratório somente no volume de material operado e na necessidade de ser efetuada a baixo custo; Para se ter uma produção razoável, com um filtro de dimensões moderadas, deve-se aumentar a queda de pressão ou deve-se diminuir a resistência ao escoamento para aumentar a vazão; A maioria do equipamento industrial opera mediante a diminuição da resistência ao escoamento, fazendo com que a área filtrante seja tão grande quanto possível, sem que as dimensões globais do filtro aumentem proporcionalmente; A escolha do equipamento depende em grande parte da economia do processo, mas as vantagens econômicas serão variáveis de acordo com outras variáveis. 5

6 Filtração Os fatores que controlam a velocidade de filtração são: Queda de pressão, ou seja, a diferença entre a pressão na cabeça de filtração, e a pressão na saída do meio filtrante; Área do meio filtrante (área do filtro + área da torta, no caso de filtração com torta e área do meio poroso para a filtração); Viscosidade do filtrado; Resistência do filtro e das camadas iniciais de torta (Para que ocorra a filtração é necessário que a força motriz supere a resistência); Resistência da torta (levando em conta que quase sempre há um limite na espessura da torta formada). Dimensões da partícula sólida, distribuição granulométrica, forma da partícula, tendência à floculação e deformabilidade; Meio filtrante A escolha adequada do meio filtrante é essencial, pois a qualidade do produto obtido depende, em grande parte, da eleição correta desse material; A escolha deve ser baseada na sua capacidade para: Produzir um filtrado límpido (clarificação); Possibilitar uma retirada fácil da torta; Ser resistente o suficiente para não sofrer ataque químico dos constituintes presentes na suspensão a ser tratada; Apresentar boa e adequada distribuição de poros de modo a não comprometer o curso de filtração; Baixo custo e fácil limpeza. 6

7 Meio filtrante leito poroso de materiais sólidos inertes, conjunto de placas, marcos e telas em uma prensa O meio de filtração pode ser: conjunto de folhas duplas dentro de um tanque, cilindro rotativo mergulhado na suspensão discos rotativos mergulhados na suspensão bolsas ou cartuchos dentro de uma carcaça. por membranas microfiltração e osmose reversa Tipos de torta A torta pode ser Compressível ou Incompressível; Depende danatureza, granulometria, forma e do grau de heterogeneidade dosólido; Compressível => queda de pressão aumentam mais rapidamente com a vazão; A resistência da torta geralmente é diretamente proporcional à vazão do filtrado, e consequentemente, proporcional à queda de pressão. 7

8 Auxiliar filtrante São compostos por partículas rígidas que formam tortas abertas, não compressíveis; Impedem a formação de uma torta compacta gerando um considerável aumento de porosidade e permeabilidade => acelera a filtração; Desempenha o papel de esqueleto da torta; Exemplos: Diatomáceas: são rochas sedimentares formadas por esqueletos silíceos microscópicos de algas de origem marinha ou lacustre Perlita : rocha vítrea de origem vulcânica Celulose: farinha de madeira Carvão ativo: obtido a partir dos subprodutos da fabricação de papel Auxiliar filtrante Diatomácea (Goulart et al., 2011) Perlita ( ( 8

9 Tipos de filtros Os filtros podem ser operados em batelada, em que a torta é retirada a cada ensaio, e de forma contínua; Fatores associados com a suspensão: Vazão, temperatura, tipo e concentração dos sólidos, granulometria, heterogeneidade e forma das partículas Fatores associados com a características da torta: Quantidade, compressibilidade, valor unitário, propriedades físico-químicas, uniformidade e estado de pureza desejado Fatores associados com o filtrado: Vazão, viscosidade, temperatura, pressão de vapor e grau de clarificação desejado Filtro de leito poroso granular Filtros prensa De câmara De placas e quadros Filtros de lâminas Moore Kelly Sweetland Vallez Tipos de filtros Filtros contínuos rotativos Tambor Disco Horizontais Filtros especiais 9

10 Filtro de leito poroso laminar É o tipo de filtro mais simples e de baixo custo de instalação; Se usa no tratamento de água potável, quando se tem grandes volumes de líquido e pequenas quantidades de sólidos; São constituídos por uma ou mais camadas de sólidos particulados, suportados por um leito de cascalho sobre uma grade, através do qual o material a ser filtrado flui por gravidade ou por pressão. Vantagens e desvantagens dos filtros granulares Vantagens Os filtros não apresentam problemas de pressão inferior à atmosférica. As unidades permitem maior disponibilidade de carga, considerando a pressão em que o filtrado abandona o equipamento. São produzidos líquidos límpidos por meio da circulação de filtrado Podem ser automatizados Desvantagens Na dependência da suspensão a ser tratada, precisa sofrer um tratamento prévio antes de ser filtrada Apresentam problemas operacionais tendo em vista a dificuldade de observar as condições do meio filtrante, como falta ou mistura das distintas camadas de material granular. 10

11 Filtros-prensa É o mais comum na indústria e consiste em uma série de placas que são apertadas firmemente umas das outras, com uma tela sobre cada lado de cada placa; Há placas circulares e placas quadradas, horizontais ou verticais e com depressões ou planas. Filtro-prensa de câmaras Quando a prensa está montada os furos formam um canal através do qual a suspensão é alimentada nas diversas câmaras. As placas são revestidas com telas que também apresentam furos centrais correspondentes aos furos das placas; Anéis metálicos de pressão prendem as telas às bordas do furo central das placas e ao mesmo tempo servem para vedar a passagem da suspensão pelo espaço entre a tela e a placa; Em uma das extremidades da prensa há um cabeçote fixo e, na outra, um cabeçote móvel que serve para prensar o conjunto por meio de um parafuso resistente operado por um volante; 11

12 Filtro-prensa de placas e quadros Apresentam quadros e placas separadas entre si pelo meio filtrante; No filtro prensa a suspensão é bombeada à prensa e escoa pelas armações e as partículas se acumulam dentro da armação, levando à formação da torta; O filtrado escoa entre o meio filtrante e as placas pelos canais de passagem e sai pela parte inferior de cada placa; Quando o espaço entre as armações esta completamente preenchido, realiza-se a lavagem da torta e finalmente o filtro é aberto para descarregar a torta; Operação conduzida em batelada; Vantagens e desvantagens dos filtros prensa Vantagens A unidade precisa de menor área de implantação, quando comparada aos outros métodos. As tortas resultantes apresentam baixo conteúdo de umidade. São produzidos líquidos límpidos por meio da circulação do filtrado. Podem ser automatizados. Desvantagens A eficiência é muito sensível às variações das características dos resíduos. Difícil lavagem e manutenção do meio filtrante, assim como do interior do equipamento (preocupante para alimentos e fármacos!!) As placas podem sofrer fissuras ou romper-se. Necessita mão de obra qualificada. 12

13 Filtros de lâminas São constituídos de lâminas filtrantes múltiplas dispostas lado a lado. As lâminas ficam imersas na suspensão a filtrar, sendo feita a sucção do filtrado para o seu interior por meio de uma bomba de vácuo; Em outros tipos a suspensão é alimentada sob pressão em um tanque fechado que aloja as lâminas; Em ambos os casos, a torta se forma por fora das lâminas e o filtrado passa para o seu interior, de onde sai por um canal apropriado para o tanque de filtrado; Uma lâmina típica consta de um quadro metálico resistente. O conjunto é envolto por uma lona em forma de saco oufronha. A vedação é feita com cantoneiras metálicas. 4&index=3&list=PLns1DSKKpT7TimdFrYMAG4qsSIQ00z4em Filtro Kelly 13

14 Filtro Sweetland Filtro Sparkler 14

15 Filtros contínuos rotativos Geralmente operam a vácuo; Produz tortas secas de pequena espessura (inferior 1 cm) e operam continuamente e sob queda de pressão reduzida (inferior a 0,8 atm); O meio filtrante recobre a superfície cilíndrica do equipamento. Vantagens A unidade precisa de menor área de implantação, quando comparada aos outros métodos A torta é removida com facilidade Controle fácil dos parâmetro operacionais (espessura e lavagem da torta) Baixo custo de manutenção Desvantagens O meio filtrante requer lavagem constante Consumo elevado de energia Construção de difícil vedação para permitir a presença de gases Filtro de tambor rotativo =PLns1DSKKpT7TimdFrYMAG4qsSIQ00z4em 15

16 Filtro de disco rotativo Filtros contínuos horizontais 16

17 Aplicação na Indústria de Alimentos Ultra purificação de água; Clarificação: vinho, cerveja, vinagre e sucos; Purificação do xarope na produção de refrigerante; Recuperação: borra de vinho, amido modificado; Processamento: açúcar; amido, leveduras; Concentração de proteína de soja; Auxilia no refino de óleos vegetais; Tratamento de efluentes; etc... 17