Mateus Mota Gentilini (UFRGS)

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1 OTIMIZAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DA QUALIDADE BRIX E CARBONATAÇÃO NO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE REFRIGERANTES ATRAVÉS DA UTILIZAÇÃO DE PROJETO DE EXPERIMENTOS Mateus Mota Gentilini (UFRGS) mateus.gentilini@ufrgs.br Este artigo aborda a otimização das características da qualidade grau Brix e carbonatação no processo de fabricação de refrigerantes através de um projeto de experimentos. Sendo assim, uma abordagem sobre o refrigerante, sua composição e prrocesso de fabricação é apresentada no referencial teórico. Caracterizada a metodologia empregada neste estudo, destacam-se as variáveis de respostas, parâmetros de processo e fatores controláveis e não controláveis. O modelo estatístico fatorial fracionado 25- foi escolhido para a realização dos ensaios e análise dos dados obtidos. Através de gráfico de Pareto e Normal, além do uso do teste ANOVA, detectou-se a significância dos fatores controláveis, além de suas interações. Para a variável de resposta grau Brix, os fatores quantidade de água, quantidade de xarope, tempo de mistura e a interação água_xarope foram significativos. Para a variável carbonatação, os fatores pressão e temperatura, além da interação temperatura vs pressão foram significativos. Como consideração final, verificou-se que um melhor ponto de produção poderia ser obtido se a quantidade de xarope e tempo de mistura estivesse no nível baixo, e a quantidade de água estivesse no nível alto. Para a carbonatação, verificou-se que o melhor resultado é obtido quando a temperatura e a pressão estão em nível baixo. Palavras-chaves: projeto de experimentos, ANOVA, projeto fatorial, qualidade

2 . Introdução No Brasil, a produção de refrigerantes deu-se no início do século XX, com empresas desenvolvendo e produzindo refrescos, muitas vezes utilizando-se de suco de fruta misturado com água. O desenvolvimento econômico e o crescimento populacional do Brasil na primeira metade do século XX proporcionou a instalação, nos anos 40, de grandes produtores no país (ABIR, 2008). Segundo dados da Associação Brasileira das Indústrias de Refrigerantes (ABIR), em 2008 o setor de refrigerantes e bebidas não alcoólicas era composto por 835 fabricantes de refrigerantes, 52 fabricantes de sucos, 238 fabricantes de outras bebidas não alcoólicas (chá, isotônicos, energéticos, água de côco, etc) e 505 fabricantes de águas. A maior concentração ocorre nas regiões Sudoeste e Sul. O Brasil é o terceiro maior produtor de refrigerantes do mundo, somente após do México e dos Estados Unidos. Além disso, o Brasil é o terceiro maior mercado mundial de refrigerantes, possuindo cerca de 750 mil pontos de venda espalhados pelo país. (ROSA et al, 2006). Conforme relatórios da ABIR, o consumo per capita de refrigerantes foi de 79 litros por habitante no ano de 2008, sendo produzido aproximadamente 5 bilhões de litros, representando um aumento de 4% em relação ao ano de No ano de 2009, este mercado gerou um faturamento de cerca de 22,3 bilhões de reais, demonstrando crescimento de 6,37% com relação ao ano de Na fabricação dos refrigerantes a base de açúcar, uma das formas mais empregadas para o controle de processo de produção pelo controle de qualidade das indústrias é através do grau Brix da bebida, o qual garante que todos os componentes da formulação estejam em conformidade com a legislação e com o padrão previamente estabelecido para cada tipo de refrigerante, garantindo assim suas características organolépticas e microbiológicas. Outro parâmetro bastante observado é o nível de dióxido de carbono. Responsável pela sensação de frescor da bebida, deve possuir nível superior a 2 g/l para ser considerada uma bebida gaseificada. (PALHA, 2005) Através das boas práticas de fabricação, juntamente com análise dessas características, podese garantir a qualidade do produto minimizando variações do processo, atingindo produtividade e reduzindo custos de produção. O presente artigo tem como objetivo apresentar a utilização de projeto de experimentos para otimização das características da qualidade Brix e carbonatação na fabricação de refrigerantes. Dessa forma, na seção dois apresenta-se uma definição sobre experimentos e uma breve descrição sobre o processo de fabricação de refrigerantes. Na seção três aborda-se a metodologia utilizada e realizado a identificação das características de qualidade e parâmetros de processo. Na seção quatro faz-se uma análise sobre os dados obtidos dos ensaios, apresentando na seção cinco considerações gerais para a otimização do processo e por fim na seção seis é realizado as considerações finais sobre este estudo e possibilidades para estudos futuros. 2. Referencial Teórico 2. Experimentos Um experimento é um procedimento no qual alterações propositais são feitas nas variáveis de entrada de um processo ou sistema, de modo que se possam avaliar as possíveis alterações sofridas pela variável resposta, como também as razões dessas alterações (WERKEMA,996). 2

3 O processo, ou sistema, pode ser representado pelo modelo mostrado na figura. Pode-se visualizar o processo como uma combinação de operações, máquinas, métodos, pessoas ou outros recursos que transformam algumas entradas (em geral material) em uma saída que tem uma ou mais variáveis de resposta observadas. Algumas das variáveis de processo são controláveis, sendo outras não-controláveis (MONTGOMERY, 2005). Figura - Modelo Geral de um Processo Os objetivos do experimento para processos podem incluir: Determinação de quais variáveis x mais influencia a resposta y (MONTGOMERY, 2005); Determinação de intervalos de valores para os itens de verificação associados aos fatores controláveis X's, de modo a obter cada item de controle centrado no valor nominal desejado e com uma variabilidade pequena em torno desse valor (MONTGOMERY, 2005); Determinação de intervalos de valores para os itens de verificação associados aos fatores Controláveis X's, as quais minimizam as ações dos fatores não-controláveis Z's sobre os itens de controle do processo (WERKEMA, 996). 2.2 Processo de Preparação do Refrigerante O processo de fabricação de refrigerantes pode ser dividido em seis fases importantes, conforme demonstrado na figura 2. Os insumos água e xarope são preparados separadamente em diferentes tanques e disponibilizado para a dosagem das proporções de cada um deles. No mixer, é realizada a mistura e o resfriamento dos ingredientes. O resfriamento é importante, pois condicionará a mistura a uma melhor absorção de CO 2 na fase seguinte, a carbonatação. A carbonatação consiste na adição do gás que é absorvido devido a pressão no interior do tanque. Neste momento a mistura já é considerada como refrigerante e seguirá para as próximas fases. No envase as latas são enchidas com o refrigerante produzido e cada recipiente finalizado segue para a codificação do lote na etiquetadora. Em seguida as latas vão para a paletizadora para a formação de packs de comercialização. 3

4 Figura 2 - Processo de Fabricação de Refrigerante O mixer geralmente é composto por seis tanques: um tanque desaerador, um tanque de xarope composto, dois dosadores, um tanque misturador e um tanque saturador ou simplesmente carbonatador. O processo de desgaseificação da água (eliminação do oxigênio dissolvido) ocorre no tanque desaerador. O tanque desaerador possui uma pressão de aproximadamente 0,3 Bar. A diluição do xarope composto através da água previamente desaerada ocorre nos tanques dosadores. A figura 3 demonstra o processo de mistura e carbonatação do refrigerante. 3. Metodologia Figura 3 - Processo de Mistura e Carbonatação A metodologia utilizada neste trabalho envolve quatro etapas, conforme proposto por Ribeiro e Caten (2003): (i) identificação do problema, abrangendo a definição e explicação sobre as variáveis de resposta, levantamento dos parâmetros do processo e identificação de fatores controláveis e não-controláveis; (ii) definição do modelo estatístico apropriado para o estudo com base nas possíveis interações entre os fatores controláveis e as restrições experimentais; 4

5 (iii) execução dos experimentos, coleta e análise dos dados; (iv) consolidação e análise dos resultados. 4. Estudo Aplicado 4. Variáveis de Resposta e Parâmetros de Processo No presente trabalho, como já afirmado anteriormente, pretende-se aplicar o projeto de experimentos para a otimização das características da qualidade brix e cabornatação. A carbonatação representa o processo onde a mistura recebe CO 2 de acordo com suas propriedades químicas, atingindo um nível de absorção padronizado para cada tipo de refrigerante. Na indústria são utilizadas tabelas que descrevem o comportamento de absorção do gás, para cada tipo de mistura existe a tabela apropriada que retorna o gás absorvido dado a temperatura e pressão. Para manter a absorção de gás dentro dos padrões, se a temperatura da mistura diminuir, a pressão deve ser diminuída, pois a mistura tende a absorver mais gás em menores temperaturas. Estas duas diminuições têm o comportamento de redução proporcional. Grau Brix é a porcentagem em massa de sólidos solúveis contida em uma solução de açúcar, quimicamente pura, sendo um dos parâmetros mais importantes do controle de qualidade da produção de refrigerantes. A escala de brix, criada por Adolf F. Brix ( ), foi derivada originalmente da escala de Balling, recalculando a temperatura de referência de 5,5 C. (PALHA, 2005) Estas duas variáveis representam as principais características que afetam a análise sensorial do consumidor sobre a qualidade do refrigerante. A tabela demonstra estas variáveis, suas especificações e respectivas importâncias relativas (IE) conforme proposto por Ribeiro e Caten (2003). Variáveis de Resposta Tipo Unidade Especificações Imp. Rel Min Max (IE) Y: Grau Brix Nominal-é-Melhor º Bx,,5 9 Y2: Carbonatação Nominal-é-Melhor volumes de CO2 4 4,4 6 Tabela : Variáveis de resposta do estudo e suas respectivas IEs. Para este estudo, listou-se dez parâmetros de processo que estão relacionados as variáveis de resposta. Estes parâmetros foram levantados após estudo na literatura e experiência de especialistas sobre o processo. A tabela 2 demonstra estes parâmetros e seus limites. Parâmetros do processo Intervalo MIN de pesquisa MAX X: quantidade de água [L] X2: quantidade de xarope [L] X3: tempo no misturador [min] 5 20 X4: temperatura de resfriamento [ C ] 2 4 X5: pressão [Bar] 0,2 0,3 X6: vazão da mistura xarope e água [kg/h] - - X7: área de troca térmica por placas [m2] - - X8: número de placas no trocador - - X9: vazão do fluido auxiliar resfriamento (kg/h) - - X0: vazão do fluido auxiliar resfriamento (kg/h) - - Tabela 2: Parâmetros importantes do processo no Mixer e Carbonatador 5

6 Além dos fatores citados na tabela 2, existem aqueles onde não é possível exercer um controle adequado. Dessa forma, estes são considerados como fatores de ruído e que acabam influenciando as medições, dessa forma, fazendo parte do termo do erro na análise estatística. Os principais fatores de ruído estão discriminados na tabela 3. Fatores de ruído Z: Variabilidade dos controladores eletrônicos (CLPs) Z2: Variabilidade dos sensores e válvulas (instrumentação) Z3: Umidade do ambiente Tabela 3: Fatores não controláveis Conforme já relatado anteriormente, com base nas definições das variáveis de resposta e os parâmetros de processos, foi atribuída uma intensidade para as relações entre estes fatores. A tabela 4 apresenta esta informação e a tabela 5 apresenta a relação entre estes parâmetros de resposta e processo. Intensidade das relações Valor numérico Inexistente 0 Fraca Moderada 6 Forte 9 Tabela 4: Escala da intensidade das relações Rij = Relações XiYj IEi X X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X0 Y Y Tabela 5: Relação entre as variáveis de resposta e os parâmetros do processo Para o cálculo das relações de intensidade de interação entre os fatores de resposta e os parâmetros de processo, foi utilizada a equação. PR x ) ( R IE ) /( IE ) () onde: Rij IEi ( j ij i i i i relação entre a variável de resposta i e o parâmetro do processo j índice de importância relativa para a variável de resposta i Com o emprego da equação, obteve-se os seguintes índices de priorização conforme demonstrado na tabela 6. Fatores controláveis PR X: quantidade de água [L] 7,8 X2: quantidade de xarope [L] 7,8 X3: tempo no misturador [min] 4 X4: temperatura de resfriamento [ C ] 4,2 X5: pressão [Bar] 4,2 Fatores mantidos constantes PR 6

7 X6: vazão da mistura xarope e água [kg/h] X7: área de troca térmica por placas [m2] X8: número de placas no trocador X9: vazão do fluido auxiliar resfriamento (kg/h) X0: vazão do fluido auxiliar resfriamento (kg/h) Tabela 6: Resultado dos índices de priorização Embora todos os parâmetros exerçam influência sobre as características da qualidade, conforme apontado por Ribeiro e Caten (2003), estudá-los em sua totalidade demandariam um elevado custo e tempo disponível. Dessa forma, elencou-se os cinco fatores controláveis mais influentes para as variáveis de resposta. Como os demais fatores estão relacionados basicamente a capacidade de equipamentos e processos, e, de forma geral, estes valores são conhecidos e dificilmente modificados; foram mantidos contastes no decorrer dos ensaios deste estudo. Devido a esta questão e o fato que a omissão desses não impactam o experimento, seus valores não foram explicitados na tabela Modelo Estatístico Para realizar a definição do modelo estatístico a ser utilizado no experimento, faz-se necessário conhecer possíveis interações entre os fatores controláveis e também as possíveis restrições experimentais. Como visto anteriormente na relação de intensidade das relações e interações, pela análise e conhecimento sobre o processo, pode-se verificar que possivelmente existe interação entre a quantidade de água e xarope composto para a variável grau Brix. Da mesma forma, possivelmente exista interação entre os parâmetros temperatura e pressão para a variável carbonatação. Com relação às restrições experimentais, embora o processo seja altamente automatizado e sem grandes interferências de operadores, seu funcionamento é baseado no sistema de bateladas. Dessa forma, cada mudança de parâmetro exige uma nova batelada assim como um processo de limpeza dos tanques envolvidos no processo. Sendo assim, visando a redução de custos para a realização destes ensaios, desejou-se que uma pequena quantidade de ensaios fosse realizada e que fossem restringidos a somente um turno de trabalho. Com estas informações, pôde-se definir o modelo estatístico para a realização deste experimento. Para a realização dos ensaios, optou-se pela utilização do modelo fatorial fracionado, dividindo em dois blocos o projeto completo, confundindo uma das interações de ordem superior e realizando somente os ensaios de um dos blocos, escolhido aleatoriamente. A justificativa para a escolha deste modelo é baseada nas restrições de tempo e questões econômicas, além de, em geral, interações de ordem superior não serem significativas. (RIBEIRO e CATEN, 2003) Como existem cinco fatores controláveis, o experimento será um Para blocagem e fracionamento o contraste de definição X X2 X3 X4 X5 (ABCDE) foi utilizado. Dos trinta e dois ensaios do fatorial completo, somente dezesseis ensaios serão realizados de forma aleatorizada. Dessa forma, têm-se os seguintes efeitos vinculados conforme Tabela 7. Efeito Contraste Efeitos Vinculados A ABCDE BCDE B ABCDE ACDE AB ABCDE CDE C ABCDE ABDE AC ABCDE BDE 7

8 BC ABCDE ADE ABC ABCDE DE D ABCDE ABCE AD ABCDE BCE BD ABCDE ACE ABD ABCDE CE CD ABCDE ABE ACD ABCDE BE BCD ABCDE AE ABCD ABCDE E Tabela 7 - Efeitos e Efeitos Vinculados A figura 4 apresenta a matriz experimental fracionada demarcada sobre a completa. Um dos blocos está representado pela cor branca e outro pela cor amarela. 4.3 Análises e Resultados Figura 4 - Fatorial 2 5 Fonte: Ribeiro e Caten, 2003 Após definido o modelo estatístico para a realização do experimento, utilizou-se o software Minitab para o planejamento e análise dos resultados obtidos após a realização dos ensaios. A tabela 8 apresenta a matriz experimental e a ordem de ensaios de forma codificada. StdOrder RunOrder CenterPt Blocks X X2 X3 X4 X5 Y Y ,48 4, ,22 4, ,33 4, ,3 4,23 8

9 Term XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO 6 5,32 4, ,3 4, ,47 4, ,2 4, ,5 4, ,24 4, ,48 4, ,3 4, ,6 4, ,3 4, ,47 4, ,23 4,06 Tabela 8 - Matrix de Experimentos Após a coleta dos dados, passou-se a realização da análise das medidas. Primeiramente procurou-se detectar a significância dos fatores, além de suas interações. Assim, foi realizada uma análise por DOE para determinar o efeito dos cinco fatores controláveis nas respostas de grau Brix e carbonatação. Utilizou-se gráficos de Pareto e Normal para esta análise. O gráfico de Pareto mostra se fatores possuem estatisticamente efeitos significativos sobre a resposta. O gráfico Normal mostra se o efeito do fator é positivo ou negativo na resposta. Fatores que possuem efeito significativo são mostrados em vermelho e aqueles que não possuem efeito significativo são mostrados em preto. Desse modo, as figuras 5 a 8 demostram os resultados obtidos para o grau Brix e carbonatação. Pareto Chart of the Effects (response is Y, Alpha = 0,05) 0,045 B A AB C BC AC D DE CE BD AD AE CD BE E F actor A B C D E Name X X2 X3 X4 X5 0,00 0,05 0,0 Effect 0,5 0,20 Lenth's PSE = 0, Figura 5 - Gráfico de Pareto - grau Brix 9

10 Term Percent XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Normal Plot of the Effects (response is Y, Alpha = 0,05) B Effect Type Not Significant Significant C F actor A B C D E Name X X2 X3 X4 X5 0 5 A AB -0,0-0,05 0,00 0,05 Effect 0,0 0,5 0,20 0,25 Lenth's PSE = 0, Figura 6 - Gráfico Normal - grau Brix Pareto Chart of the Effects (response is Y2, Alpha = 0,05) 0,0096 E D DE CE A AE BD AB BE CD BC AC AD B C F actor A B C D E Name X X2 X3 X4 X5 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,0 Effect 0,2 0,4 0,6 0,8 Lenth's PSE = 0,00375 Figura 7 - Gráfico de Pareto - Carbonatação 0

11 Percent XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Normal Plot of the Effects (response is Y2, Alpha = 0,05) Effect Type Not Significant Significant D DE F actor A B C D E Name X X2 X3 X4 X5 5 E -0,8-0,6-0,4-0,2-0,0-0,08 Effect -0,06-0,04-0,02 0,00 Lenth's PSE = 0,00375 Figura 8 - Gráfico Normal - Carbonatação Desses gráficos, verifica-se que na variável de resposta grau Brix, os fatores quantidade de água, quantidade de xarope, tempo de mistura e a interação água_xarope são significativos. Já na variável carbonatação, os fatores pressão e temperatura, além da interação temperatura_pressão são significativos. De forma complementar aos gráficos, gerou-se uma análise por ANOVA para cada uma das variáveis de resposta. Para simplificar a exibição, somente foram considerados os fatores principais e as interações de segunda ordem. Verifica-se primeiro a ANOVA para o grau Brix e depois para carbonatação. Para ser considerado significativo, o valor de P deve ser menor que 0,05. Fonte G.L. Soma dos quadrados Médias dos quadrados F Valor p X 0, , ,79 0,000 X2 0, , ,33 0,000 X3 0, , ,33 0,00 X4 0, , ,49 0,072 X5 0, , ,8 0,685 X*X2 0, , ,49 0,000 X*X3 0, , ,49 0,072 X2*X3 0, , ,49 0,072 Erro 7 0, , Tabela 9 - ANOVA para fator Brix Fonte G.L. Soma dos quadrados Médias dos quadrados F Valor p X 0, , ,46 0,60 X2 0, , ,0 0,763 X3 0, , ,0 0,763 X4 0, , ,62 0,000 X5 0,0556 0, ,99 0,000 X*X2 0, , ,0 0,763 X*X3 0, , ,46 0,60 X2*X3 0, , ,59 0,00 Erro 7 0, , Tabela 0 - ANOVA para fator carbonatação

12 Mean 5. Considerações Gerais XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Visando otimizar o processo de fabricação de refrigerantes, principalmente através das variáveis de resposta grau Brix e carbonatação, verifica-se que, mesmo dentro da faixa de tolerância para estas características, é possível realizar um ajuste nos parâmetros do processo para viabilizar uma redução de custo no processo e sem afetar a análise sensorial do produto, principal característica da qualidade percebida pelo cliente. As figuras 9 e 0 apresentam o comportamento dos efeitos principais dos parâmetros do processo. Main Effects Plot for Y Data Means,40 X X2 X3,35,30,25,20,40 - X4 - - X5,35,30,25, Figura 9 - Efeitos principais - grau Brix 2

13 Mean XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Main Effects Plot for Y2 Data Means X X2 X3 4,30 4,25 4,20 4,5 - X4 - - X5 4,30 4,25 4,20 4,5 - - Figura 0 - Efeitos principais Carbonatação Assim, com este experimento, verifica-se que um melhor ponto de produção poderia ser obtido se a quantidade de xarope e tempo de mistura estivesse no nível baixo, e a quantidade de água estivesse no nível alto. Para a carbonatação, verifica-se que o melhor resultado é obtido quando a temperatura e a pressão estão em nível baixo. Para exemplificar a importância desta otimização, pode-se analisar um processo que produza hectos/litros de refrigerante por mês. Num processo com grau Brix de 0,0, o consumo de açúcar será de 209,782 toneladas. Para um Brix de 9,90, o consumo será de 205,464 toneladas. Extrapolando esta quantidade para 2 meses, gera-se uma economia de 5,86 toneladas de açúcar (OLIVEIRA, 2007). 6 Considerações Finais Este artigo teve o objetivo de demostrar o processo de otimização de fabricação de refrigerantes através do uso de projeto de experimentos. Para isso, uma definição sobre refrigerantes, assim como uma breve descrição sobre sua composição e processo de fabricação foi realizada. Iniciando a discussão sobre o experimento, realizou-se um aprofundamento sobre o processo de mistura e carbonatação dos refrigerantes. Foi apresenta a metodologia para o experimento, a identificação das características de qualidade e parâmetros de processo. Após elencando os fatores controláveis, passou-se a definição do modelo estatístico e por fim a realização dos ensaios e análise dos resultados. Comprovou-se que os processos podem e devem ser frequentemente otimizados buscando a redução de custos ou adequação de parâmetros. No estudo deste artigo, demonstrou-se que uma otimização era possível sem impacto para a análise de sensibilidade para o cliente. A análise estatística foi realizada através do software Minitab e com a utilização de DOE e teste ANOVA. Para trabalhos futuros, sugere-se o levantamento do modelo de regressão para estas características da qualidade, além de uma abordagem através do método de superfícies. 3

14 Referências Bibliográficas XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO ABIR. Associação Brasileira das Indústrias de Refrigerantes. Disponível em: < Acesso em: 5 abr MONTGOMERY, D. C. Design and analysis of experiments. 6th edition. Arizona: John Wiley & Sons, Inc., OLIVEIRA, E. A. Controle de qualidade em refrigerante. Londrina, f. Disponível em < Acesso em: 5 abr. 20. PALHA, P.G. Tecnologia de refrigerantes. Rio de Janeiro: AmBev, RIBEIRO, J. L. D.; CATEN, C. S. ten. Projeto de Experimentos. Porto Alegre: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Escola de Engenharia. Programa de Pós Graduação em Engenharia de Produção, ROSA, S.E.S.; COSENZA, J.P.; LEÃO, L.T.S. Panorama do setor de bebidas no Brasil. BNDES Setorial, v. 23, p. 0-49, WERKEMA, M. C. C. Planejamento e análise de experimentos: como identificar, avaliar as principais variáveis influentes em um processo. Belo Horizonte: Fundação Christiano Ottoni, E.E.UFMG,