UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA Balanços de Massa e Energia em Processos de Produção de Cerveja Matheus Oliveira Silva Uberlândia, MG 2014

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA Balanços de Massa e Energia em Processos de Produção de Cerveja Matheus Oliveira Silva Monografia de graduação apresentada à Universidade Federal de Uberlândia como parte dos requisitos necessários para a aprovação na disciplina EQQ32 Projeto de Graduação do curso de Engenharia Química. Uberlândia, MG 2014

3 MEMBROS DA BANCA EXAMINADORA DA MONOGRAFIA DA DISCIPLINA EQQ32 PROJETO DE GRADUAÇÃO DE MATHEUS OLIVEIRA SILVA APRESENTADA À UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA, EM 12 DE MARÇO DE BANCA EXAMINADORA: Professor Doutor Ubiraja Coutinho Filho Orientador FEQUI/UFU Professor Rubens Gedraite Examinador FEQUI/UFU

4 RESUMO A produção de cerveja é datada dos primórdios da humanidade, sendo conhecidas gravações de processos no Egito Antigo e em civilizações sumérias, datadas de 8000 a.c. Sua popularidade como bebida nutritiva e apreciada começou, em larga escala, quando monges a utilizaram como boa fonte alimentícia durante seus longos jejuns e passaram a vender os mais variados tipos de cerveja produzidos por eles. Com os anos e a revolução industrial, o processo de fabricação de cerveja sofreu inúmeras atualizações e seu consumo expandiu-se globalmente, apesar de que durante as grandes guerras mundiais sua indústria sofreu grandes perdas e perdeu força. Porém, com os tempos de paz e a prosperidade econômica a cerveja, em sua maioria do tipo Lager Pilsen, passou a ser apreciada em grande escala e representa, atualmente, um faturamento bilionário em todo o mundo, inclusive no Brasil. Dessa forma, faz-se necessário conhecer e entender todo seu processo para que, assim, seja possível melhorá-lo e otimizá-lo.

5 ABSTRACT The beer production is dated from the humanity's origins, being known recordings of processes in Old Egypt and in Sumerian civilization, dated of 8000 B.C. Its popularity as nutritious drink and appreciated began when monks used it as good nutritious source during their long fasts and they started to sell the most varied beer types produced by them. With the years and the industrial revolution, the process of beer production suffered countless updating and its consumption expanded globally, although during the great world wars the industry of beer suffered great losses and it lost force. However, with the times of peace and the economic prosperity, the beer, in its majority the type Lager Pilsen, passed to be appreciated in great scale and it acts now a revenue billionaire all over the world, besides in Brazil. In that way, it is necessary to know and to understand all its process, so that will be possible to improve it and to optimize it.

6 Sumário Lista de Figuras...i Lista de Tabelas... ii Lista de Símbolos... iii 1. CONSIDERAÇÕES GERAIS OBJETIVOS REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Contexto Histórico Tipos de Cerveja Ale Lager Lambic Ingredientes da Cerveja Água Cevada Lúpulo Levedura Adjuntos de Fabricação Processos de Fabricação de Cerveja... 13

7 Maltação Preparação do Mosto Fermentação Maturação Envase Pasteurização ESTUDO DE CASOS Dimensões da Dorna de Fermentação Volume de Dorna para a Produção de garrafas/dia Produção em 100 Dornas de 1000 m³ e Tempo de Maturação de 5, 10 e 20 Dias Determinação da Quantidade de Amônia Líquida Saturada Balanços de Massa Balanços de Energia RESULTADOS SUGESTÕES AGRADECIMENTOS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Apêndice... 36

8 Lista de Figuras Figura 1. Hino a Ninkase, onde a cerveja era uma bebida dedicada à deusa... 2 Figura 2. Monges como semeadores do costume de fabricar e tomar cerveja... 4 Figura 3. Arte retratando o costume da produção de cerveja ser uma responsabilidade... 4 Figura 4. Diversos tipos de cerveja divididos em dois grandes grupos: Ales e Lagers... 7 Figura 5. Hordeum vulgare e Hordeum distichum Figura 6. Lúpulo in natura Figura 7. Saccharomyces cereviseae e Saccharomyces uvarum Figura 8. Processo de fabricação de cerveja estruturado em operações unitárias Figura 9. Dornas de fermentação de cerveja de uma cervejaria Heineken no Brasil Figura 10. Dimensionamento da dorna de fermentação I Figura 11. Dimensões da dorna de fermentação II Figura 12. Dorna para uma produção diária de garrafas de 600 ml Figura 13. Dimensões de uma dorna de 1000 m³ Figura 14. Gráfico para as concentrações da fermentação i

9 Lista de Tabelas Tabela 1. Dados de processo para diferentes tempos de maturação Tabela 2. Especificações sugeridas para a dorna em diferentes tempos de maturação.. 25 Tabela 3. Parâmetros das equações de balanço de massa Tabela 4. Parâmetros das equações de balanço de energia Tabela 5. Resultados para o substrato, células e produto ii

10 Lista de Símbolos V Volume do cilíndro Volume do cone H Altura do cilindro Altura do Cone R Raio da dorna fermentativa Volume da dorna Volume de cerveja na garrafa Tempo de fermentação Tempo de maturação Tempo total Área de troca térmica Número de dornas Número de filtros Área filtrante total i Índice para o conteúdo da dorna j Índice para o conteúdo da camisa S Substrato F Vazão de alimentação t Tempo iii

11 substrato Relação entre a variação da concentração de células com a concentração de Cinética de crescimento das células Velocidade máxima de crescimento das células Constante de afinidade ao substrato P Produto Relação entre a variação da concentração do produto com a concentração de substrato X Células ρ Densidade Calor específico T Temperatura Vazão mássica Entalpia de reação U Coeficiente global de troca térmica A Área de troca térmica Volume ocupado pela amônia dentro da camisa Entalpia de vaporização da amônia iv

12 1. CONSIDERAÇÕES GERAIS De acordo com o relatório da Barth-Haas Group [1], o Brasil é o terceiro maior produtor de cerveja no mundo, com uma produção de 13,280 bilhões de litros no ano de 2012, atrás apenas dos Estados Unidos da América (produção de 22,931 bilhões de litros) e da China (produção de 49,020 bilhões de litros). Segundo o cervejeiro da Microcervejaria Bamberg de Votorantin (SP), Alexandre Bazzo, existem mais de 100 tipos de cerveja. A bebida pode ser classificada em três tipos: alta fermentação, baixa fermentação e aquelas que não têm alta e nem baixa fermentação, chamadas de espontâneas. [2] A cerveja mais produzida (e consumida) no Brasil é a cerveja tipo Lager Pilsen. Dentre as indústrias produtoras de cerveja no país, a Companhia de Bebidas das Américas (Ambev) se destaca por ser a quarta maior cervejaria do mundo, com operações em mais de 14 países das Américas e com 70% do mercado brasileiro de consumo de cerveja. [3] A cerveja tornou-se um produto de grande importância em escala mundial que seu retorno econômico e geração de renda tanto em impostos como em salários é importantíssimo para economias nacionais. No ano de 2010, a Ambev vendeu 165,14 milhões de hectolitros de bebidas e arrecadou uma receita líquida de R$ 25 bilhões. [3] Sua maior produção concentra-se na cerveja do tipo Lager Pilsen, representando 98% do consumo total de cerveja pelos brasileiros. O cidadão brasileiro chega a consumir 66,7 litros ao ano de cerveja, ocupando a 26ª posição no ranking mundial de consumo per capita. [4] Dessa forma, nota-se a importância da cerveja em economias e como entender seu processo de produção e otimizá-lo, tanto para melhoria da qualidade para o cliente quanto para maior geração de lucro e renda. 2. OBJETIVOS Descrever a cerveja; Explicar brevemente o processo de produção de cerveja. 1

13 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1. Contexto Histórico Sabe-se que o homem conhece o processo de fermentação há mais de anos e obtinha, nessa época, as primeiras bebidas alcoólicas. Especula-se que a cerveja tenha sido descoberta acidentalmente, provavelmente fruto da fermentação não induzida de algum cereal. A descoberta da cerveja se deu pouco tempo depois do surgimento do pão. Os sumérios e outros povos teriam percebido que a massa do pão, quando molhada, fermentava. Dessa forma, teria aparecido uma espécie primitiva de cerveja, como "pão líquido". Várias vezes foram repetidas este método e, inclusive, melhorado, dando origem a um gênero de cerveja que os sumérios consideravam uma bebida divina, a qual era, por vezes, oferecida aos seus deuses. Diversos estudos arqueológicos realizados na região do Nilo Azul comprovaram que em 7000 a.c., aproximadamente, os povos locais produziam uma bebida a partir de sorgo que seria semelhante à nossa cerveja. Na Suméria foram encontradas inscrições feitas em uma pedra onde um cereal era utilizado em um processo semelhante à fabricação da cerveja. Nesta mesma civilização foi encontrada uma placa de barro, recolhida em Tepe Gawra e datada de cerca de 4000 a.c., aonde se vêm duas figuras que bebem possivelmente cerveja de um pote, utilizando para isso longas palhas, tradicionalmente usadas para aspirar a bebida e evitar a ingestão dos resíduos de cereal. Inclusive, o Hino a Ninkase, a deusa da cerveja dos Sumérios, é, na realidade, uma receita de cerveja. [5] Figura 1 Hino a Ninkase, onde a cerveja era uma bebida dedicada à deusa. Fonte: 2

14 Na China, desenvolveram-se técnicas de preparação de bebidas do tipo da cerveja, obtidas a partir de grãos de cereais. A Samshu, fabricada a partir dos grãos de arroz, e a Kin já eram produzidas cerca de 2300 a.c. As técnicas utilizadas eram algo diferente das dos povos mesopotâmicos e egípcios. De fato, o desenvolvimento da cerveja até a forma pela qual hoje a conhecemos, deve-se mais a estes dois últimos do que à civilização chinesa. Foram mesmo os egípcios que ensinaram os gregos a produzir cerveja. Assim como o tinham aprendido com os egípcios, os gregos ensinaram a arte de produzir cerveja aos romanos. Muitos romanos consideravam a bebida desprezível e típica de povos bárbaros. Tácito (historiador e orador romano), na sua descrição dos germanos, referiu-se a uma bebida "horrível", fermentada de cevada ou trigo. Foi nessa época que as palavras cervisia ou cerevisia passaram a ser utilizadas pelos romanos, em homenagem a Ceres, a deusa da agricultura e da fertilidade. [5] Na Idade Média, a produção e consumo de cerveja tiveram um grande impulso, muito por causa da influência dos mosteiros, locais onde este produto era não só tecnicamente melhorado, como também produzido e vendido. Nos mosteiros, as técnicas de fabricação iam sendo desenvolvidas em busca de uma cerveja mais agradável ao palato e mais nutritiva. A importância da qualidade alimentar da cerveja era algo relevante para os monges, dado que era um produto que os ajudava a passar os difíceis dias de jejum. Os beneditinos de Weihenstephan foram os primeiros a receber, oficialmente, a autorização profissional para fabricação e venda da cerveja, em 1040 d.c. Com isso, esta é a cervejaria mais antiga do mundo ainda em funcionamento e é hoje conhecida, principalmente, como o Centro de Ensino da Tecnologia de Cervejaria da Universidade Técnica de Munique. [6] 3

15 Figura 2 Monges como semeadores do costume de fabricar e tomar cerveja. Fontes: e Figura 3 Arte retratando o costume da produção de cerveja ser uma responsabilidade feminina. Fonte: Até praticamente o fim da Idade Média, a cerveja europeia dividia-se pelo emprego de distintos aromatizantes, plantas silvestres, como o mirto generalizado na região escandinava, mas proibido na Inglaterra, ou o gruyt (um composto de ervas aromáticas) utilizado em outras regiões do norte da Europa. O lúpulo (Humulus lupulus), conhecido na Europa Central, viria a destacar-se como aromatizante de superior qualidade e pelas notáveis propriedades antissépticas. O Duque Wilhelm IV da Baviera criou a Reinheitsgebot - lei da pureza - que tornou ilegal o uso de outros ingredientes no fabrico de cerveja que não fossem água, cevada e lúpulo. [6] 4

16 Posteriormente foi introduzida a permissão na utilização de leveduras na lei da pureza, visto que, quando proclamada, não era de conhecimento público a existência de um agente fermentador como o fungo. Na era moderna, a invenção da máquina a vapor por James Watt, em 1765, permitiu a industrialização e racionalização da produção cervejeira. As primeiras cervejeiras que utilizaram máquinas a vapor chamavam-se a si mesmas Steam Beer Breweries, sendo que ainda hoje subsistem fábricas com esta designação. Em 1830, Gabriel Sedlmayr e Anton Dreher desenvolveram o método de produção que daria origem às Lagers, sendo que 12 anos depois seria elaborada a primeira Pilsen na Boêmia. Outra invenção cujas repercussões tiveram grande impacto na fabricação da cerveja foi a descoberta da refrigeração artificial (Teoria de Geração de Frio Artificial). Em 1876, os estudos de Louis Pasteur sobre o fermento e os microrganismos possibilitaram um avanço na preservação dos alimentos, sendo amplamente utilizado em cervejarias. Até à descoberta de Pasteur, a fermentação do mosto era natural, o que, normalmente, trazia prejuízos aos fabricantes. O notável cientista francês convenceu os produtores a utilizarem culturas selecionadas de leveduras para fermentação do mosto, para manter uma padronização na qualidade da cerveja e impedir a formação de fermentação acética. Igualmente importante foi o trabalho de Emil Christian Hansen (micologista dinamarquês). Este, aproveitando o desenvolvimento do microscópio, descobriu a existência de células de levedura de baixa fermentação, pois antes eram somente conhecidas leveduras de alta fermentação. Ele isolou a célula, que foi multiplicada sob cultura pura. Como a levedura influencia fundamentalmente o sabor, esta descoberta permitiu a constância do sabor e qualidade. [7] No início do século XX e as duas grandes guerras, além da crise econômica gerada pela Grande Depressão e a proibição da produção e comercialização de bebidas alcoólicas nos Estados Unidos da América (Lei Seca, ), a produção de cerveja caiu drasticamente, tendo sobrevivido poucas cervejarias. Passado mais este período muito difícil, assistiu-se a um aumento gradual na produção e consumo de cerveja, sendo que a Budweiser foi a primeira marca a ultrapassar os 10 milhões de barris por ano, isto já em Atualmente, a indústria cervejeira pode ser caracterizada por duas grandes tendências: a primeira é representada pelas grandes fusões entre gigantes cervejeiras, que criam empresas cada vez maiores, com vendas impressionantes, contudo, em geral, com produtos de qualidade inferior; a segunda é representada por pequenas e médias empresas que desenvolvem produtos de grande 5

17 qualidade, para apreciadores e baseadas nas tradições dos locais onde se encontram implantadas. [7] 3.2. Tipos de Cerveja As cervejas são principalmente classificadas quanto à proporção de malte de cevada presente na sua fabricação. As cervejas ditas de puro malte são fabricadas com 100% de malte, ou seja, toda fonte de açúcar advém dele. As cervejas usuais possuem no mínimo 55% de malte de cevada. Contudo, aquela cerveja na qual possui menos de 55% de malte de cevada é classificada segundo o extrato utilizado como fonte de açúcar. Como exemplo deste último caso, têm-se as cervejas de trigo e cervejas de arroz. Quanto à fermentação, pode-se dizer que a cerveja é de baixa fermentação, onde os microrganismos se depositam no fundo do tanque onde ocorreu a fermentação, e a cerveja de alta fermentação, na qual as leveduras flutuam sobre a superfície do líquido ao final da fermentação. Segundo o tipo de levedura utilizada, a cerveja é principalmente classificada em dois grandes grupos: Cervejas tipo Ale e cervejas tipo Lager. A levedura Saccharomyces cerevisiae é conhecida por ser de fermentação alta e utilizada na fabricação de cerveja do tipo Ale. Atua na superfície da mistura, com ação rápida, não chegando a consumir todo o açúcar contido no malte, dando um sabor doce à bebida. A levedura Saccharomyces uvarum é de fermentação baixa e utilizada na fabricação de cervejas do tipo Lager. Atua de maneira mais lenta provocando uma fermentação menos densa, porém, mais eficaz, o que leva a formação de uma cerveja mais limpa e de sabor seco. [8] Existe, ainda, a cerveja tipo Lambic, onde o método arcaico de fabricação ainda é utilizado, ou seja, a fermentação ocorre através da exposição do mosto às leveduras selvagens e bactérias presentes no ambiente. 6

18 Figura 4 Diversos tipos de cerveja divididos em dois grandes grupos: Ales e Lagers. Fonte: Ale As cervejas tipo Ale são fabricadas através de um processo de alta fermentação. A fermentação se dá a uma temperatura mais alta que as utilizadas na fabricação da Lager, estando entre 15 e 24 C, durante um tempo curto de três a cinco dias. Este processo de fabricação é o mais antigo, sendo que era o único conhecido até o século XIX, onde foi descoberta a baixa fermentação e surgiram as cervejas tipo Lager. Este processo de alta fermentação ou fermentação a quente realça os sabores mais complexos, frutados e lupulados da cerveja. São, em geral, cervejas mais encorpadas e vigorosas sendo que podem variar muito de uma marca para outra, com características que vão desde o doce ao amargo e das claras às escuras. [9] 7

19 Lager As cervejas tipo Lager utilizam um processo de baixa fermentação em sua fabricação. A palavra deriva do alemão lagern que significa armazenar. Este termo referia-se ao hábito que se tinha de armazenar este tipo de cervejas em locais onde a temperatura era muito baixa por longos períodos de tempo, antes de se passar à fase de consumo propriamente dita. Sua fermentação ocorre a baixas temperaturas compreendidas entre 6 e 12 C e suas origens remontam à Baviera do século XIX, local onde os mestres cervejeiros tinham por hábito guardar os seus produtos em cavernas muito frias de modo a lhe darem certa maturação. Esses produtos, as Lagerbier, eram o resultado de anos de desenvolvimento de técnicas de refrigeração e de utilização de um fermento especial. A principal diferença desse fermento para o que se utilizava no resto da Europa era que seu depósito ficava no fundo após a fermentação, ao contrário das Ale, cujo resíduo subia ao topo. No ano de 1842, na cidade de Plzen, Josef Groll, jovem originário da Baviera, utilizou um malte diferente do habitual que, em combinação com a água muito leve da localidade, deu origem a uma cerveja cor de ouro e muito clara. Esta experiência daria origem à Pilsener ou Pilsner, estilo que rapidamente se espalhou com grande sucesso pela Europa. Atualmente, a Pilsener é uma cerveja clara, com um volume pronunciado de gás, sabor a lúpulo e uma porcentagem de álcool que varia entre 3 a 6%. [10] No Brasil, a cerveja Lager Pilsen é a mais apreciada pela população Lambic São usualmente feitas de trigo, porém não ocorre adição de leveduras ao mosto. Sua fermentação ocorre devido às leveduras selvagens contidas no ambiente, sendo a fermentação espontânea. É usualmente fabricada em uma pequena área ao redor de Bruxelas, onde as leveduras selvagens da região dotam esse tipo de cerveja de uma gama numerosa de aromas variáveis desde o frutado (framboesa, cereja ou banana) ao cítrico (vinho branco ou vinagre). [11] 3.3. Ingredientes da Cerveja Água 8

20 A água compreende 90% do produto total da cerveja. Segundo Reinold (1997), para se produzir 1 litro da bebida utiliza-se de 5 a 10 litros de água. Por isso, a instalação da indústria deve ser feita em um local com grande quantidade de água. É ideal o tratamento da mesma antes da utilização, podendo passar por estações de desmineralização ou abrandamento, eliminando os sais indesejáveis. [12] O ph ideal da água para a fabricação de cerveja está entre 6,5 a 7,0. Por exemplo, se o ph da água estiver alcalino, ou seja, acima de 7, ocasionará o rompimento das cascas do malte, o que é completamente indesejável no processo. [13] A fama das cervejas da antiguidade se dava em boa parte pela água com que eram feitas, que muitas vezes proviam de fontes privadas. Na cidade de Pilsen, onde se criou a cerveja Lager Pilsen, a água que a compunha possuía baixa concentração de minerais, por isso, esse tipo de bebida era conhecido pela sua suavidade. Já na Inglaterra, a água que era utilizada na fabricação das Pale Ale, era dura, ou seja, continha uma elevada concentração de minerais. Essa água provinha do Rio Borton, e devido a sua fama, o ato de colocar minerais na água foi popularmente chamado de Bortonização. [8] A produção de cerveja Pilsen com água mole e as Ales com água dura perduram até os dias de hoje e isso, entre outras coisas, marcam suas características. Toda a água presente no mundo apresenta algum teor mineral proveniente do solo. Por exemplo, uma água ácida localizada próxima a um solo com calcário, o ácido pode solubilizar essa cal, tornando a água dura. Entretanto, se este mesmo rio se encontra perto de um solo de granizo, que são muito difíceis de dissolver, a água permanece mole. A maioria das substâncias que são dissolvidas na água contribui negativamente para a qualidade da cerveja, como sabor amargo não característico, deixa a bebida turva, retarda a fermentação e deixa a cerveja mais escura. [12] Dessa forma, a qualidade da água utilizada na fabricação é essencial para manter a qualidade da cerveja. Portanto, após a captação da água no recurso hídrico, seu encaminhamento para uma Estação de Tratamento de Afluentes (E.T.A.) é necessário para que seja neutralizada e tornada potável e viável para fabricação de cerveja Cevada A cevada é uma gramínea pertencente ao gênero Hordeum, sendo originária do oriente. É um cereal de cor amarelada, muito rico em açúcar e pobre em 9

21 maltagem. [15] Além da cevada há a aplicabilidade de outros cereais como o trigo, que proteína, sendo essas duas características o que o torna ideal para a fabricação de cerveja. Quanto menor o teor de proteína, melhor será a solubilidade do malte e mais elevado será o teor de extrato, sendo que o teor de proteína da cevada não deve ultrapassar 11,5%. [14] O grão da cevada é constituído basicamente por: casca externa, endosperma amiláceo e germe (embrião). A casca constitui uma proteção externa para o grão; é constituída de material celulósico apresentando proteínas, resinas e tanino em menor quantidade. A casca também atua como elemento filtrante na filtração do mosto, contribuindo com o aroma, cor e sabor do líquido contendo açúcares fermentescíveis, além de proteger o grão de impactos mecânicos sofridos durante o processo de deixa a cerveja mais clara e um pouco mais ácida também. A aveia é utilizada na fabricação de cervejas do tipo Stouts conferindo à bebida um sabor mais doce e suave. A utilização do centeio é menos frequente, mas quando utilizado traz um gosto picante à cerveja. Já o arroz e o milho são utilizados como aditivos em fábricas estadunidenses. Quase todas as cervejarias utilizam algum cereal junto à cevada para obter sabores diferentes. [8] No Brasil, são utilizadas duas espécies de cevada: Hordeum distichum (dois grãos por fileira) e Hordeum vulgare (seis grãos por fileira), que contêm alto teor de amido para a produção de malte do tipo Pilsen. [16] Figura 5 Hordeum vulgare e Hordeum distichum, respectivamente. Fontes: se_up e 10

22 =specie%26specie=hordis%26fileid= Lúpulo Nos anos de 1200, o lúpulo era adicionado à cerveja pelos monges para dar-lhe um sabor amargo característico. Inicialmente a lei da pureza Reinheitsgebot proibia o uso do lúpulo para fins diferentes de aromatizante. Contudo, no século XVI, esta pequena flor verde passou a ter seu uso regularizado pela lei da pureza. O lúpulo é uma planta pertencente à família Cannabaceae, a mesma família da planta medicinal alucinógena maconha. [17] Humulus lupulus é a espécie da planta conhecida popularmente como lúpulo. Ela é uma trepadeira perene, com flores verdes e cônicas. Para a utilização destas na cerveja, elas passam por um processo de secagem no forno. Há quem utilize a flor in natura, produzindo um aroma mais forte. Esse processo necessita da retirada da palha e pétalas residuais. Geralmente as flores são prensadas em forma de balas ou pellets, e também há o extrato de lúpulo (lúpulo em pó), mas não é tão forte. [8] Figura 6 Lúpulo in natura. Fonte: 11

23 Levedura As leveduras pertencem ao Reino Fungi e apresentam-se de forma unicelular. Reproduzem-se por brotamento ou gemulação e de forma rápida. São seres eucarióticos e possuem rígida parede celular, e suas dimensões são maiores que as bactérias. Onde inseridas estabelecem reações químicas aeróbias e anaeróbias, pois são aeróbias facultativas. São utilizadas espécies pertencentes à família Saccharomyces, usualmente as espécies S. cereviseae e S. uvarum. No Brasil, a cerveja tipo Lager Pilsen produzida utiliza a espécie Saccharomyces pastorianus, descendente da S. cereviseae e que trabalha em temperaturas mais baixas. [18] Figura 7 Saccharomyces cereviseae e Saccharomyces uvarum, respectivamente. Fonte: Adjuntos de Fabricação O açúcar é o aditivo mais comum, pois fermenta com facilidade e é utilizada principalmente para correção do teor alcoólico da cerveja, além de deixá-la mais clara. O arroz e milho podem ser utilizados para substituir parte da cevada, originando uma cerveja mais clara e de sabor mais seco. [8] Frutas, como a cereja e framboesa, são adicionadas para causar uma segunda fermentação e permitir um novo sabor à bebida. Atualmente, os cervejeiros utilizam apenas o extrato de frutas e não mais in natura. Os apreciadores deste tipo de fabricação também adicionam outros ingredientes, tais como: mel, alcaçuz, gengibre, baunilha, melaço, chocolate e pimenta. [8] 12

24 Os antioxidantes são também adicionados. Possuem o princípio de desacelerar a auto-oxidação dos lipídeos. Eles podem agir de forma competitiva com os radicais livres dos lipídeos, impedindo a continuação da reação em cadeia. Os antioxidantes são utilizados apenas em cervejas que serão engarrafadas, pois o Chopp que é armazenado em barris é de consumo imediato. [15] 3.4. Processos de Fabricação de Cerveja Graças aos avanços tecnológicos e a informática, a indústria e a ciência transformaram o processo de fabricação de cerveja, que era artesanal, em um processo industrial e eficiente, com o emprego de tecnologia e sofisticação. Entretanto, o conhecimento acerca de todo o processo envolvido na fabricação é imprescindível, sendo a presença de um mestre cervejeiro necessária, pois as falhas no processo são imprevisíveis. [8] O processo de produção de cerveja ocorre em grandes bateladas, visto que para o produto final possuir a qualidade exigida pelo cliente e pelos órgãos reguladores são necessários vários ajustes durante o processo. Isto é devido à matériaprima possuir variações em sua composição e qualidade. O processo pode ser dividido em: Maltação, preparação do mosto, fermentação, maturação, envase, pasteurização e expedição. 13

25 Figura 8 Processo de fabricação de cerveja estruturado em operações unitárias. Fonte: Maltação A maioria dos processos de produção de cerveja compra o grão de cevada em forma de malte, sendo esta etapa desnecessária. Contudo, a maltação consiste em quatro passos: Preparação do grão, maceração, germinação e secagem. Durante a preparação dos grãos, estes são secados em temperaturas de 50 a 60 C para reduzir seu teor de umidade. Isto permite que sejam armazenados por tempos maiores. Após a secagem destes grãos, é feito a separação dos grãos dos demais componentes advindo da colheita, tais como galhos, folhas e insetos. Após, é feito uma seleção dos grãos de acordo com seu tamanho de forma a obter um malte homogêneo. [19] Durante a maceração, os grãos são embebidos em água morna para que possam aumentar sua umidade para o teor de 45% em relação ao seu peso. As condições 14

26 de temperatura e o fornecimento de oxigênio para os grãos são controlados. Esta etapa dá princípio ao início da germinação dos grãos. [19] Para a germinação, os grãos são dispostos em estufas com a temperatura controlada para que, assim, brotem radículas (pequenas formações embrionárias da futura raiz da planta). A duração da germinação é de 5 a 8 dias. [19] A secagem tem como objetivo interromper o processo de germinação pela ação do calor de vapor injetado, em temperaturas próximas de 50 C. Nos fornos de secagem, ainda ocorre a caramelização (tostagem) dos grãos. A umidade final dos grãos é de 4 a 5% do seu peso. [19] Preparação do Mosto O mosto pode ser definido como uma solução aquosa de açúcares, que serão os alimentos para as leveduras que realizam a fermentação, dando origem ao álcool das bebidas. Desta maneira, a preparação do mosto é uma etapa determinante para a boa qualidade da cerveja. O preparo consiste em cozinhar o malte, e inclui as seguintes etapas: Moagem do malte, brassagem ou mosturação, filtração, fervura, decantação ou whirlpool e resfriamento. A moagem do malte consiste em submeter o malte à ação de moinhos de martelo ou de rolo, de modo a romper a casca do grão e liberar o amido presente em seu interior. [19] Nessa fase, a casca do malte é rasgada para que o endosperma seja triturado e fique exposto de maneira a facilitar a ação das enzimas durante o processo de mosturação. [8] A casca é preservada ao máximo, pois será futuramente utilizada na filtração como segundo meio poroso. Na mosturação, o malte moído é colocado em água quente por um período de uma a quatro horas. Neste momento as enzimas são ativadas pelo calor da água e continuam-se as reações iniciadas na maltagem. Ocorre, assim, a quebra do amido em açúcares mais simples. Há ainda uma variação deste processo, onde são retiradas várias vezes o malte já cozido e encaminhado para outra cuba de cozimento. Isso permite uma maior retirada de açúcar dos grãos maltados. Essa técnica é bastante aplicada em produção de cervejas tipo Lager, uma vez que seu malte contém menos açúcares. [8] Após o preparo do mosto, este é resfriado de 80 a 100 C até cerca de 75 a 78 C em um trocador de calor, e então é filtrado para remoção de resíduos dos 15

27 grãos de malte e adjunto. Esta filtração é realizada por meio de peneiras que utilizam como elementos filtrantes a própria casca do malte presente no mosto, e a parte sólida retirada é denominada bagaço de malte ou dreche. [19] Após esta primeira filtração, fazse uma pulverização com água quente sobre o colchão de casca de semente que se criou para que ocorra a retirada de todo o açúcar ainda contido. Para a fabricação de algumas cervejas mais densas faz-se a pulverização com o próprio mosto, sem qualquer diluição. [8] O mosto é aquecido na caldeira para que ocorra a fervura por um período de 60 a 90 minutos, estabilizando-o. Este processo inativa as enzimas, coagula e precipita as proteínas, e concentra e esteriliza o mosto. É nesta fase que se adicionam os aditivos que proporcionam características típicas de cada tipo e marca de cerveja, tais como o lúpulo, caramelo, açúcar, mel, extratos vegetais, etc.. [19] Durante a decantação ou whirlpool ocorre a retirada dos resíduos de lúpulo, proteínas indesejáveis e taninos que podem coagular durante o processo, através de uma peneira ou de uma centrífuga. Ao centrifugar há a formação do chamado trub. [8] O processo recebe o nome de whirlpool, pois, usualmente, ocorre em um tanque cilíndrico de mesmo nome. Após, o mosto é resfriado em um trocador de calor até uma temperatura mais baixa, dependendo do tipo de cerveja. Em seguida, é enviado para os tanques de fermentação Fermentação Ao sair do trocador de calor e ser introduzido na dorna fermentativa, o mosto para a produção de cerveja do tipo Ale deve estar a uma temperatura entre 16 e 24 C, enquanto que para a produção do tipo Lager deve estar entre 4 e 13 C, que são as temperaturas ideais para o metabolismo das leveduras utilizadas em cada processo. [8] A fermentação do mosto é dividida em duas etapas: numa primeira etapa, denominada aeróbia, as leveduras se reproduzem, aumentando de quantidade de 2 a 6 vezes; em seguida inicia-se a fase anaeróbia, onde as leveduras realizam a fermentação propriamente dita, convertendo os açúcares presentes no mosto em CO2 e álcool. [19] A primeira fase da fermentação, dita aeróbia, pode ser representada pela seguinte Equação 1 simplificada: 16

28 (1) pela Equação 2 adiante: A segunda fase da fermentação, dita anaeróbia, pode ser representada (2) De modo a garantir um bom andamento ao processo de fermentação é necessário que a temperatura se mantenha constante em valores entre 8 e 15 C. Para isso, as dornas de fermentação são constantemente resfriadas, uma vez que a fermentação é um processo exotérmico. [19] Figura 9 Dornas de fermentação de cerveja de uma cervejaria Heineken no Brasil. Fonte: Maturação Ao final da fermentação, a maturação é utilizada para estabilizar o aroma e o sabor da cerveja, além de permitir a decantação dos microrganismos e substâncias indesejáveis misturados à cerveja. Usualmente, a cerveja fica nas dornas por um período de 15 a 60 dias e em uma temperatura igual ou menor a 0 C. [19] 17

29 Por meios naturais, as cervejas tipo Ale passam por um período de maturação de poucos dias, menos de um mês. As cervejas tipo Ale mais fortes podem precisar de um período de maturação de até um ano. As cervejas tipo Lager precisam de um longo período que varia de seis meses a um ano para suavizar seu aroma e sabor. Entretanto, os processos industriais que produzem cerveja em longa escala reduzem esse processo em poucas semanas, controlando temperatura e pressão nas dornas. [8] Nesta etapa também ocorre a carbonatação. Ela pode acontecer naturalmente ou ser estimulada pelos cervejeiros através da adição de um pouco de cerveja, levedura ou algo açucarado. Isso permite a ativação de leveduras inativas presentes na cerveja, método este conhecido por Kräusening. Atualmente, adiciona-se dióxido de carbono nas dornas para saturar a cerveja de CO2. [8] Envase Antes de proceder à etapa de envase, a cerveja é filtrada para remover as impurezas decantadas. Utilizam-se filtros de velas verticais ou placas horizontais, além do uso de terra diatomácea (denominada kiesselguhr). São adicionados alguns adjuntos, tais como os agentes estabilizantes, corantes ou açúcares para acerto final do paladar do produto. [19] No processo de envase, deve-se ter grande cuidado com possíveis fontes de contaminação, perda de gás e contato da cerveja com oxigênio. Tais ocorrências comprometem a qualidade do produto. O envase é feito comumente em garrafas de vidro, latas de alumínio e barris de Chopp de madeira ou metal. [19] Pasteurização A pasteurização, descoberta por Louis Pasteur, é um processo de esterilização no qual se submete o produto a um aquecimento (até 60 C) seguido de um rápido resfriamento (até 4 C). O produto pasteurizado apresenta maior estabilidade e durabilidade em função da eliminação dos microrganismos. [19] O processo de pasteurização não é utilizado por todos os cervejeiros, visto que o aquecimento elimina boa parte do sabor da cerveja. [8] Devido a isso, o Chopp é conhecido por ter um gosto mais forte que a cerveja, pois não é submetido à pasteurização. 18

30 4. ESTUDO DE CASOS Para o presente projeto de graduação, foram realizados o dimensionamento dos seguintes itens: Determinação das dimensões da dorna de fermentação com uma relação diâmetro:altura de 1:1,5 na parte cilíndrica e parte cônica com ângulo de inclinação de 150 ; Volume de dorna para uma produção de garrafas/dia de cerveja de 600 ml com fábrica operando 24 horas por dia, sete dias por semana; Produção de cerveja em 100 dornas de 1000 m³ com tempo de maturação de 5, 10 e 20 dias; Área de troca de térmica de cada dorna; Quantidade de filtros de 80 m² necessários para a filtração da cerveja nos diferentes tempos de maturação e gastos anuais com terra diatomácea na filtração; Determinação da quantidade de amônia líquida saturada necessária para o resfriamento da dorna de fermentação e comparação com dados da literatura Dimensões da Dorna de Fermentação Para o cálculo das dimensões da dorna de fermentação utilizou-se uma relação diâmetro:altura de 1:1,5 para a parte cilíndrica e ângulo de 150 para a parte cônica. Um esquema pode ser visto na Figura

31 Figura 10 Dimensionamento da dorna de fermentação I. Fonte: O autor Para determinar uma fórmula baseada em um parâmetro para a determinação do volume e das dimensões da dorna, multiplicou-se tanto a altura quanto o diâmetro da dorna por x. Sabe-se que o volume de um cilindro é dado por: (3) Sendo, R o raio da dorna em metros; e H a altura da dorna em metros. Sabe-se, também, que o volume de um cone [20] é dado por: (4) Sendo, R o raio do cone em metros; e a altura do cone em metros. cilindro e do cone. Assim, tem-se o volume da dorna, dado pela soma entre os volumes do 20

32 ( ) ( ) (5) Para se obter a altura do cone ( ), utiliza-se das relações de seno e cosseno dadas no triângulo formado com ângulo de 90 pela metade do cone (visto na Figura 11). Assim: (6) E, (7) Desta forma, obtém-se o volume da dorna de fermentação (Equação 8) e as dimensões da dorna através do parâmetro x (Figura 11). (8) Figura 11 Dimensões da dorna de fermentação II. Fonte: O autor 21

33 4.2. Volume de Dorna para a produção de garrafas/dia Para uma produção diária de garrafas de 600 ml de volume, podese obter a produção diária através da Equação 9. (9) Sendo, o volume de cerveja nas garrafas produzidas em litros. Desta forma, obtém-se uma produção diária de litros de cerveja. Para a obtenção do volume de dorna necessário para esta produção diária, adotou-se um tempo de maturação de 20 dias e tempo de fermentação de 10 dias. Assim, tem-se: (10) (11) Sendo, o volume da dorna em metros cúbicos; e em dias; o tempo de fermentação em dias; e o tempo de maturação em dias. Assim, obteve-se um volume de dorna de 1440 m³. Propõe-se, então, a construção de quatro dornas de 360 m³ de volume, com as dimensões dadas pela Figura

34 Figura 12 Dorna para uma produção diária de garrafas de 600 ml. Fonte: O autor Considera-se que a área de troca térmica necessária para a dorna é de 40 m² para cada 1000 hl de cerveja na dorna. Assim, a área total é dada por: (12) Sendo, a área de troca térmica da dorna em metros quadrados; e o volume da dorna em metros cúbicos. Para as quatro dornas de 360 m³ propostas, a área de troca térmica por dorna é de 144 m², totalizando 576 m² de área de troca térmica Produção em 100 Dornas de 1000 m³ com Tempo de Maturação de 5, 10 e 20 Dias seguir: Para este caso, tem-se a produção de cerveja dada pelas equações a 23

35 (13) Sendo, o número de dornas presentes; e o tempo total dado pela Equação 11. Para o cálculo do número de filtros de 80 m², considera-se que é necessário um filtro para cada 400hL/h de cerveja a ser filtrada. Assim: (14) Sendo, cerveja, dado em metros quadrados. a área filtrante total empregada na filtração de toda a produção de A área filtrante total pode ser calculada por: (15) Sendo, produção/hora a produção de cerveja por hora dada em hectolitros. Para a obtenção da quantidade de terra diatomácea gastas anualmente na filtração, há uma grande margem de variabilidade, pois os processos de filtração da cervejaria podem ser feitos unicamente com terra diatomácea (maior gasto) ou feitos através de diversos métodos, incluindo a utilização de terra diatomácea. Para estimativa, calcularam-se os dois extremos gastos, ou seja, um método que usa praticamente terra diatomácea e outro em que a filtração é feita por mais de um processo. Sabe-se que o gasto de terra diatomácea é aproximadamente 0,125x10-3 t/hl de cerveja filtrada (método I) e que o gasto de terra diatomácea é de 500g/m² de área de filtração com reuso da mesma por 30 ciclos de filtração de 8 horas cada (método II), caracterizando, dessa forma, os dois métodos aferidos para este projeto de graduação. O método I é dado pela utilização exclusiva de terra diatomácea para efetuar a filtração da cerveja produzida, enquanto o método II é dado pela utilização de outros sistemas de filtração conjugados com o uso da terra diatomácea. 24

36 Os dados obtidos para os três diferentes tempos de maturação (5, 10 e 20 dias) estão dispostos na Tabela 1 a seguir. Tabela 1 Dados de processo calculados para diferentes tempos de maturação Terra Terra Produção Diatomácea Diatomácea (hl/ano) (m²/dorna) (m²) (80 m²) I (t/ano) II (t/ano) , ,8330 6, , , , ,8254 4, , , , ,8172 3, , ,840 Com base nos dados obtidos, podem-se sugerir algumas especificações dos equipamentos, como visto na Tabela 2. Tabela 2 Especificações sugeridas pelo autor (m²/dorna) (m²) (80 m²) Figura 13. Finalmente, as dimensões para a dorna de 1000 m³ podem ser vistas na 25

37 Figura 13 Dimensões de uma dorna de 1000 m³. Fonte: O autor 4.4. Determinação da Quantidade de Amônia Líquida Saturada Para a determinação da quantidade de amônia líquida saturada necessária para o resfriamento das dornas de fermentação, foi utilizado um código computacional feito no programa Maple 15. Este código encontra-se no Apêndice deste projeto. Considerou-se que a amônia é alimentada a 0 C como líquido saturado na camisa de resfriamento e que todo calor recebido por ela através da parede da dorna e da camisa é consumido em sua evaporação como calor latente. Para a simulação através do código, foram feitos balanços de massa e energia, descritos a seguir Balanços de Massa maltose e glicose) é [21] : O balanço de massa do substrato (açúcares fermentescíveis, usualmente 26

38 ( ) ( ) (16) Sendo, a concentração inicial de substrato no reator em gramas por litro; a concentração de substrato no tempo i, dada em gramas por litro; as vazões de alimentação e retirada de substrato do reator; é o fator de rendimento teórico em biomassa que relaciona a variação da concentração de células com a de substrato; a concentração de células no tempo i, dada em gramas por litro; e o modelo cinético para o processo em questão, dado em dia -1. E, ( ( )) (17) Sendo, a constante de afinidade ao substrato, dada em gramas por litro; e a velocidade máxima de crescimento da levedura, dada em dia -1. O balanço de massa para o produto (etanol) é dado por [21] : ( ) ( ) (18) Sendo, a concentração inicial de etanol na dorna fermentativa, dada em gramas por litro; a concentração de etanol no tempo i, dada em grama por litro; e o rendimento teórico de etanol, definido como a relação entre as variações de produto e substrato. por [21] : O balanço de massa para as células (Saccharomyces cereviseae) é dado ( ) (19) Sendo, a concentração inicial de células, dada em gramas por litro. 27

39 Para este processo, não há entradas nem saídas, ou seja, após a dorna ser completamente enchida e iniciada a fermentação, não há adições nem retiradas de correntes. Dessa forma, os balanços de massa simplificados ficam: ( ) ( ) (20) ( ) ( ) (21) ( ) (22) Tabela 3 a seguir. Os parâmetros das equações de balanço de massa podem ser vistos na Tabela 3 Parâmetros das equações de balanço de massa (g/l) 10 (g/l) 5 (g/l) 0 (dia-1) 0,412 (g/l) 200 0,0532 0, Balanços de Energia O balanço de energia no reator é dado por [22] : (23) 28

40 Sendo, índice i para caracterizar o conteúdo do reator; a densidade em quilogramas por metro cúbico; o calor específico em quilocalorias por quilograma vezes grau Celsius; e a temperatura dentro do reator em graus Celsius. O balanço de energia na camisa é dado por [22] : ( ) (24) Sendo, índice j para caracterizar o conteúdo da camisa. Contudo, para o processo em questão, é utilizada amônia saturada para o resfriamento, sendo que todo calor recebido através da camisa é consumido em sua vaporização. Assim, os balanços energéticos tornam-se: ( ) ( ) (25) Sendo, a entalpia de reação dada em quilocaloria por litro; U o coeficiente global de troca térmica, dado em quilocaloria por dia vezes metro quadrado vezes Kelvin; e A a área de troca térmica em metro quadrado. ( ) ( ) (26) Sendo, a entalpia de vaporização da amônia, dada em quilocalorias por quilo; a vazão mássica de amônia, dada em quilos por dia; e dentro da camisa em m³. o volume ocupado pela amônia Sabe-se que a cada 48,8 gramas de álcool produzidas são liberadas 50 quilocalorias de energia [23] e que são necessários 40 m² de área de troca térmica para cada 100 m³ de volume de dorna, assim: (27) 29

41 (28) E, (29) Tabela 4. Os parâmetros das equações de balanço de energia podem ser vistos na Tabela 4 Parâmetros das equações de balanço de energia (Kg/m³) 1000 [24] (Kg/m³) 681 (Kcal/Kg. C) 1 [24] (Kcal/Kg. C) 1, (Kcal/dia.m².K) 2065, [25] (Kcal/Kg) 345, (0) ( C) 5 (0) ( C) 0 (m³)

42 5. RESULTADOS Para o consumo do substrato através do crescimento das células e consequente produção de produtos pelas mesmas foram obtidos os seguintes resultados através da simulação executada no código computacional descrito no Apêndice deste presente projeto: Tabela 5 Resultados para o substrato, células e produto t (dia) (g/l) (g/l) (g/l) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

43 Figura 14 Células (azul), substrato (preto) e produto (vermelho). Fonte: Simulação no programa Maple 15 Considerou-se o fim da fermentação ao atingir a concentração de 1 g/l de substrato. Nota-se que as células não obtiveram um crescimento alto, contudo era esperado pela pequena concentração de células e substrato presentes no início da fermentação, além da cinética de crescimento adotada ser lenta. Através da simulação pelo balanço energético, obteve-se uma massa de 6660 Kg/dia de amônia passando na camisa para manter resfriado a dorna de fermentação. Utilizando um fator de segurança de 1,2 tem-se uma massa de 7992 Kg/dia. Ou seja, uma capacidade de resfriamento de 114,9625 Mcal/h. Comparando-se com os compressores do fabricante MYCOM CO. LTD, modelo 200LH, que possui capacidade de resfriamento de 227,3 Mcal/h [26], tem-se que seria necessário um compressor por dorna de 1000 m³ para que o resfriamento fosse efetivo. Contudo, devese salientar que a concentração inicial de substrato dentro da dorna é pequena, assim a liberação de calor pela reação é pouca e lenta, não sendo necessária uma capacidade de resfriamento elevada para realizar o controle térmico da dorna. 32

44 6. SUGESTÕES Sugere-se para melhor obtenção de dados o melhoramento do código utilizado para a resolução das EDOs, especialmente para os balanços de energia, tornando assim o modelo mais fiel à realidade. 7. AGRADECIMENTOS Agradeço ao apoio de todos os envolvidos no desenvolvimento desse projeto de graduação, especialmente ao professor orientador Dr. Ubirajara Coutinho Filho, pela sua orientação e paciência. 33

45 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1) RELATÓRIO BARTH-HAAS GROUP. Disponível em: < Acesso em: 30 de Outubro de ) BAMBERG BIER. Micro cervejaria. Disponível em: < Acesso em: 30 de Outubro de ) AMBEV. Institucional. Disponível em: < Acesso em: 30 de Outubro de ) ABRASEL. Disponível em: < Acesso em: 30 de Outubro de ) CERVEJAS DO MUNDO. Na Antiguidade. Disponível em: < Acesso em: 30 de Outubro de ) CERVEJA DO MUNDO. A Era Medieval. Disponível em: < Acesso em: 30 de Outubro de ) CERVEJA DO MUNDO. Era Moderna. Disponível em: < Acesso em: 30 de Outubro de ) LEVENTHAL, J. Amantes de la cerveza. Bonner: Könemann p. 9) CERVEJA DO MUNDO. Ale. Disponível em: < Acesso em: 30 de Outubro de ) CERVEJA DO MUNDO. Lager. Disponível em: < Acesso em: 30 de Outubro de ) BREJAS. Lambics. Disponível em: < Acesso em: 30 de Outubro de ) TSCHOPE, E.C. Microcervejarias e cervejarias: a história, a arte e a tecnologia. São Paulo: Aden, P