Raquel P. F. Guiné ESAV

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1 OS PROCESSOS nas INDÚSTRIAS ALIMENTARES Raquel P. F. Guiné ESAV

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3 OS PROCESSOS nas INDÚSTRIAS ALIMENTARES Raquel P. F. Guiné Edição Edição de autor Coordenação editorial Raquel Guiné, ESAV Composição Raquel Guiné, ESAV Capa Raquel Guiné, ESAV Copyright 2014 Impressão AEESAV - Associação de Estudantes da ESAV Encadernação AEESAV - Associação de Estudantes da ESAV ISBN

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5 ÍNDICE Prefácio... xi Nota introdutória... xiii PARTE I PROCESSOS POR CONTACTO EM EQUILÍBRIO Introdução Concentrações Equilíbrio gás-líquido Equilíbrio sólido-líquido Relações de equilíbrio-concentração Condições de operação Cálculo da separação nos processos de contacto em equilíbrio Absorção de gases Velocidade de absorção do gás Absorção de gases por etapas de contacto em equilíbrio Extração e lavagem Velocidade de extração Extração por etapas múltiplas Lavagem Extração por pressão Influência da preparação da matéria-prima Relação entre pressão e tempo Extração sólido-líquido Mecanismos de extração Características industriais da extração sólido-líquido Cinética da extração sólido-líquido Método gráfico para o cálculo do número de etapas de extração Fatores que influenciam a eficiência da extração Extração líquido-líquido Condições de equilíbrio Método de cálculo do número de etapas Extração por fluido supercrítico Fluidos supercríticos Aplicação nas indústrias alimentares Destilação Introdução Equilíbrio líquido-vapor Vaporização parcial e condensação parcial Pressões parciais e leis de Dalton, Raoult e Henry Volatilidades relativas Obtenção do diagrama de temperatura de ebulição Métodos de destilação para misturas de dois constituintes Destilação fracionada Considerações gerais iii

6 4.2.2 Cálculo do número de andares necessários Importância do quociente de refluxo Destilação por arrastamento com vapor Considerações gerais Determinação do número de andares necessários Aplicações da destilação Cristalização Nucleação Equilíbrio de cristalização Solubilidade Calor de cristalização Velocidade de crescimento dos cristais Cristalização em equilíbrio Tipos de cristalizadores Aplicações da cristalização Utilização de membranas Considerações gerais Velocidade de fluxo através das membranas Ultrafiltração e osmose inversa Mecanismos e fluxos transmembrana Membranas Seletividade das membranas Principais aplicações Efeito sobre os alimentos Eletrodiálise Fundamentos Aspetos tecnológicos Âmbitos de aplicação e problemas técnicos da eletrodiálise Pervaporação Funcionamento Equipamentos Aplicações Permuta iónica Estrutura e propriedades dos permutadores Principais tipos de permutadores iónicos Equilíbrios entre as soluções externa e interna Teoria da permuta iónica Funcionamento técnico da permuta iónica Dinâmica das colunas de permuta iónica Funcionamento cíclico da permuta iónica Tecnologia das colunas de permuta iónica Colunas de leito fixo e regeneração em cocorrente Colunas de leito fixo e regeneração em contracorrente Permutadores contínuos Principais aplicações PARTE II PROCESSOS MECÂNICOS iv

7 8 Introdução Velocidade das partículas que se movem num fluido Sedimentação Processo de separação gravítica Classificação dos processos de sedimentação Flutuação Sedimentação gravítica de partículas num gás Sedimentação por ação de forças combinadas Separadores de ciclone Separadores de choque Classificadores Filtração Introdução geral Fluxo através do meio de filtração e do bolo Filtração a velocidade constante Filtração a pressão constante Compressibilidade do bolo Colmatação da filtração Tratamento prévio da suspensão Escolha do equipamento Meios filtrantes Coadjuvantes de filtração Filtros grossos Membranas Centrifugação Velocidade de separação Natureza dos produtos a separar Separação de dois líquidos imiscíveis Separação de partículas em suspensão Filtração numa centrífuga Tipos de rotores para centrífugas Aplicações Peneiração Redução de tamanho de partículas sólidas Natureza do material a triturar Equipamentos Energia necessária à redução de tamanhos Domínios de aplicação Mistura e agitação Mistura por agitação de líquidos e suspensões Operacionalidade e eficiência dos agitadores Mistura com formação de pastas PARTE III TRANSFERÊNCIA DE CALOR v

8 16 Teoria da transferência de calor Condução de calor Condutividade térmica dos materiais Condução através de uma camada de material Condutâncias térmicas em série Condutâncias térmicas em paralelo Transferência de calor em superfícies Transferência de calor em estado transiente Transferência de calor por radiação Transferência de calor por convecção Convecção natural Convecção forçada Coeficientes globais de transferência de calor Transferência de calor com vapores condensantes Transferência de calor para líquidos em ebulição Permutadores de calor Coeficiente global de transferência de calor Diferença média de temperaturas Influência do sentido de circulação sobre a eficiência Recuperação de calor Equipamentos PARTE IV PROCESSOS TÉRMICOS CONVENCIONAIS Introdução Atividade da água Efeito da atividade da água sobre os alimentos Tempo de morte térmica Potência letal equivalente a outras temperaturas Escalda Objetivos da escalda Métodos de escalda Efeito da escalda sobre os alimentos Pasteurização Considerações teóricas Métodos de pasteurização Efeito sobre os alimentos Esterilização por calor Desenvolvimento dos microrganismos nos alimentos Esterilização na embalagem Processos de esterilização a temperaturas ultraelevadas Efeito sobre os alimentos Evaporação Transferência de calor nos evaporadores Evaporação por vácuo Condensadores vi

9 22.4 Evaporador de efeito simples Evaporação de efeito múltiplo Alimentação dos evaporadores de efeito múltiplo Vantagens dos evaporadores de efeito múltiplo Recompressão do vapor Elevação do ponto de ebulição Evaporação de substâncias sensíveis ao calor Secagem Estados da água Energia necessária à vaporização Transferência de calor na secagem Transferência de massa na secagem Secagem com ar Psicometria Conteúdo de humidade em equilíbrio Mecanismo de perda de água no alimento Velocidade de secagem Secagem por condução Secadores Rendimento do secador Efeitos sobre os alimentos Reidratação Congelação Considerações teóricas Instalações de congelação Instalações de descongelação Efeito sobre os alimentos Liofilização Aspetos teóricos Instalações Efeitos sobre os alimentos Extrusão Aspetos teóricos Métodos Aplicações Efeito sobre os alimentos Assado e cozimento em forno Aspetos teóricos Métodos Efeito sobre os alimentos Fritura Aspetos teóricos Métodos Efeito sobre os alimentos vii

10 PARTE V TECNOLOGIAS EMERGENTES Formas de aquecimento por energia radiante Aquecimento por micro-ondas Considerações teóricas Instalações Vantagens das micro-ondas Aplicações Efeitos sobre os microrganismos e enzimas Efeitos sobre os alimentos Radiação infravermelha Aspetos teóricos Instalações Aplicações Efeito sobre os alimentos Aquecimento por radiofrequência Conceitos teóricos Instalações Aplicações Aquecimento óhmico Conceitos básicos Equipamentos Aplicações Efeito sobre os alimentos Processamento por alta pressão Introdução Capacidade de preservação Instalações Aplicações Efeito sobre os alimentos Campos elétricos pulsados Introdução Instalações Aplicações Luz pulsada de alta intensidade Princípios Instalações Efeitos sobre os microrganismos Aplicações Efeitos sobre os alimentos Ultrassons Introdução Instalações Capacidade de preservação viii

11 37.4 Processamento com ultrassons Efeito sobre os alimentos Irradiação Aspetos teóricos Instalações Efeito das radiações sobre os microrganismos Efeito das radiações sobre as embalagens Efeito das radiações sobre os alimentos BIBLIOGRAFIA ix

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13 Prefácio A compreensão dos processos industriais assenta sobretudo em dois factos: (i) cada processo pode ser estudado em séries de etapas, denominadas operações; e (ii) as operações individuais têm mecanismos próprios e baseiam-se em princípios físicos. O estudo sistemático de cada operação unitária conduz a um tratamento simplificado e unificado de todos os processos. A variedade e a complexidade dos processos industriais modernos representam um desafio aliciante para os profissionais que operam na indústria de processos bem como para os profissionais ligados ao mundo académico. No entanto, a autora conseguiu de uma forma muito clara e elucidativa abordar a maioria das operações unitárias clássicas mais relevantes, enfatizando igualmente a importância e a atualidade das operações unitárias que emergem hodiernamente na indústria dos processos. De modo a responder a estes desafios, a autora organizou o presente livro em cinco partes: processos por contacto em equilíbrio, processos mecânicos, transferência de calor, processos térmicos convencionais e tecnologias emergentes que agrupam capítulos individuais dedicados a cada uma das principais operações unitárias. Sendo as operações unitárias uma área tão fascinante e imprescindível da engenharia é natural que já muito se tenha escrito sobre o tema. No entanto, esta obra distingue-se pela forma pormenorizada como os assuntos são tratados, simultaneamente numa perspetiva académica e prática. Cada assunto é iniciado com a apresentação dos conceitos e princípios fundamentais, seguido de uma discussão das principais aplicações, tipo de equipamentos, dos seus princípios de funcionamento, dos métodos de resolução do problema de engenharia e dos fatores que mais influenciam a operação, entre outros. Por outro lado, ao longo da obra existe a preocupação clara de ilustrar as explicações, através de um conjunto vastíssimo de exemplos aplicados ao setor das indústrias alimentares. Esta é, de facto, uma particularidade deste livro que o torna uma referência no meio académico. As aplicações das operações aos processos não se esgotam na separação, purificação, concentração de alimentos ou dos seus componentes, mas também contemplam os processos térmicos específicos dos alimentos, como a escalda, a pasteurização, a esterilização por calor, a evaporação, a secagem, a congelação, a liofilização, a extrusão, o assado e cozimento em forno, a fritura, o aquecimento por energia radiante, micro-ondas, rádio frequência, Ohmico, a radiação infravermelha, o processamento por alta pressão, os campos elétricos pulsados, os ultrassons, a irradiação, entre outros. Para cada caso, é também abordado, de um modo sistemático, o efeito do processo térmico sobre os alimentos, nomeadamente no que se refere aos seus nutrientes, propriedades físicas e organoléticas, cor, aroma, bouquet e textura. Esta obra, muito completa, baseada no rigor científico e numa linguagem clara e precisa, representa um instrumento valioso de aprendizagem. Maria João Barroca xi

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15 Nota introdutória A presente publicação surgiu por causa dos meus alunos e é em primeira instância para eles. Foi escrito de uma forma simples, recorrendo frequentemente a esquemas e exemplos para ilustrar os conceitos a transmitir. Assume-se como um trabalho eminentemente pedagógico, não pretendendo ser um manual demasiadamente técnico ou científico. Raquel Guiné xiii