SISTEMA PARA MONITORAMENTO DO HISTÓRICO DE TEMPERATURA EM PROCESSAMENTO TÉRMICO CONTÍNUO

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1 SISTEMA PARA MONITORAMENTO DO HISTÓRICO DE TEMPERATURA EM PROCESSAMENTO TÉRMICO CONTÍNUO Júlio César B. R. Oliveira, Viviane Kechichian, 3 Jorge A. W. Gut Bolsista de iniciação científica PIBIC/CNPq, discente do curso de Engenharia de Petróleo Bolsista de doutorado CNPq, programa de Eng. Química da Escola Politécnica da USP 3 Professor do Dep. de Eng. Química da Escola Politécnica da USP,,3 Escola Politécnica da USP, Dep. de Engenharia Química. Caixa Postal 6548, São Paulo - SP, jorgewgut@usp.br RESUMO - O processamento térmico é um método amplamente empregado para preservação e extensão da vida de prateleira de produtos alimentícios. Através da alta temperatura são inativados microrganismos e enzimas indesejáveis. O processamento contínuo é realizado através de trocadores de calor ligados em série a uma etapa de retenção. O correto dimensionamento do processo térmico evita o sobre-processamento e a perda da qualidade nutricional e sensorial do produto além dos custos energéticos desnecessários e ainda garante a qualidade microbiológica do produto processado. Desta forma, esta pesquisa teve como objetivo desenvolver e testar um sistema de aquisição de dados on line para monitoramento do processo térmico, a- través da obtenção do histórico de temperatura em sistema a placas e em sistema tubular para avaliação do grau de tratamento térmico. Por meio da combinação dos resultados com dados de tempos médios de residência nas etapas do processo, foi possível determinar a letalidade real do processo e compará-la com a letalidade desejada no projeto. Os resultados permitiram detectar, nos dois sistemas testados, características do equipamento e das condições de processo que podem ser melhoradas para aprimorar a qualidade do produto. Palavras-Chave: processamento térmico, aquisição de dados, trocador de calor INTRODUÇÃO O processamento térmico é um método amplamente empregado para preservação e extensão da vida de prateleira de produtos alimentícios. Através da alta temperatura são inativados microrganismos e enzimas indesejáveis. O processamento térmico pode ser descontínuo (batelada) ou contínuo. No caso de alimentos líquidos e pastosos, muitos deles com comportamento não-newtoniano, o processamento contínuo é geralmente realizado através do uso de trocadores de calor para aquecimento e resfriamento indiretos do fluido (Lewis e Heppel, ). Processos contínuos são constituídos por um estágio de aquecimento no qual o alimento atinge uma temperatura previamente definida, seguido de um tempo de retenção isotérmico para garantir que o nível de letalidade desejado e, por fim, uma etapa de resfriamento onde o alimento tem sua temperatura reduzida até a de armazenamento (Jung e Fryer, 999). A demanda por alimentos que apresentem características mais próximas do produto não processado tem crescido. Uma forma de se atender a esta demanda é pelo correto dimensionamento do processo térmico, evitando o sobreprocessamento, tão comum em produtos industrializados. A eficácia do processo térmico é avaliada em termos da qualidade sensorial (cor, sabor, textura, aroma etc.), nutricional e microbiológica do produto. O sobre-processamento garante a qualidade microbiológica, mas reduz a qualidade sensorial e nutricional, além de representar um gasto energético desnecessário. A necessidade de otimização da qualidade e dos custos da operação contribui para que a otimização dos processos térmicos esteja em foco recentemente (Awuah et al., 7). Desta forma, esta pesquisa tem como objetivo desenvolver e testar um sistema de aquisição de dados para monitoramento de um processo térmico, através da obtenção on-line do histórico de temperatura em sistema a placas e em sistema tubular para avaliação do grau de tratamento térmico (letalidade do processo). MATERIAIS E MÉTODOS Sistema de Monitoramento A parte principal do sistema de monitoramento do histórico de temperatura é o sistema de aquisição de dados cdaq-97 (National Instruments) com três módulos NI-9 para sinal de termopar (cada módulo comporta quatro termopa- VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 7 a 3 de julho de 9 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil

2 res). Para o pasteurizador a placas foram utilizados termopares tipo T de junta exposta com cabo 4AWG (IOPE), adaptados à conectores (John Guest) para inserção no equipamento. Para o pasteurizador bitubular foram utilizados termopares tipo T com bainha em inox com pote liso e cabo 4AWG (IOPE), com conectores rosqueáveis em latão. Para comunicação com o sistema de aquisição foi utilizado computador pessoal com software de programação LabView 8.5 (National Instruments). Um programa para aquisição e visualização de dados com interface gráfica amigável e simples foi desenvolvido. Hardware e software tiveram que ser configurados para o funcionamento do sistema de monitoramento. Todos os sensores termopares foram calibrados ajustando funções lineares para correlacionar as leituras médias com os valores registrados por termômetros de mercúrio ASTM (Incoterm) em três temperaturas entre e 9 ºC. O sistema de monitoramento foi utilizado para estudar o funcionamento de um pasteurizador a placas de escala laboratorial FT-43 (Armfield) composto por três trocadores a placas (placas lisas com área individual de 53, cm²) com arranjo em série contracorrente e um de 5 s. Sua condição padrão para processamento de leite foi avaliada: L/h de leite com temperatura de 7 ºC na saída do. Circuitos de água quente e água gelada fechados com vazão de circulação de, L/min foram utilizados. Os sensores de temperatura foram inseridos ao longo do trajeto do leite e também na entrada e saída das utilidades e são indicados nas Figuras e. As temperaturas do produto na entrada e na saída da seção de regeneração (ou entrada da seção de aquecimento) foram medidas pelos sensores T e T, respectivamente. O sensor T3 indicava a temperatura do produto na saída da seção de aquecimento e os sensores T4 e T5 indicavam as temperaturas na entrada e na saída do, respectivamente. Letalidade do processo A letalidade de um processo térmico contínuo, F, é obtida através da integração da taxa letal, Lt, ao longo do tempo de residência, conforme equação (). A letalidade pode ser vista como o tempo de processo batelada isotérmico a uma temperatura de referência, T ref, que confere o mesmo resultado sobre um atributo ao produto. A dependência deste atributo com a temperatura deve seguir uma cinética de primeira ordem caracterizada pelos parâmetros D e z. F = Lt dt = T alog z ( t) dt () Como pode-se observar na equação (), para o cálculo da letalidade é necessário o histórico de temperatura T(t). O sistema de monitoramento descrito neste trabalho permite determinar a distribuição de temperatura no equipamento que, combinada com o conhecimento dos tempos médios de residência, permite a obtenção da curva T(t). Para os cálculos foi considerado z = 4,4 ºC, valor para a bactéria Coxiella burnetti (Aguiar e Gut, 8). Assumindo um perfil linear de temperatura entre dois pontos de medição T e T, a equação () se reduz a equação (), onde t m é o tempo médio de residência da etapa. Figura Pasteurizador a placas indicando a localização dos sensores de temperatura T4 T9 produto T3 aquecimento T T T6 T regeneração T7 T resfriamento T T8 F = tm z T ( ) T alog alog T T ln z z () T5 produto pasteurizado Pasteurizador a placas Figura Esquema do pasteurizador a placas indicando a localização dos sensores de temperatura

3 O sensor T6 foi inserido na entrada da seção de regeneração para que se conhecesse a diferença entre as temperaturas medidas por T5 e T6 e se pudesse avaliar a perda de calor do produto para o ambiente (apesar do isolamento térmico utilizado). A temperatura do produto já pasteurizado na entrada da seção de resfriamento foi indicada por T7 e na saída, por T8. Os sensores T9, T, T e T indicavam as temperaturas das utilidades e seus valores foram utilizados para verificação dos balanços globais de energia nos trocadores. Os valores de tempo de retenção médio para cada trecho estudado do trocador foram determinados experimentalmente por Gutierrez et al. (8) e os valores são utilizados neste trabalho para confecção do histórico de temperatura. O tempo de residência no trocador a placas (t m ) é obtido por meio da equação (3) sendo V ef o volume interno efetivo e Q a vazão volumétrica do fluido. t m = V f /Q (3) Utilizam-se as equações (4), (5) e (6) para o cálculo do volume interno em mililitros, sendo V pf o volume referente ao escoamento pistonado, V mt o volume do tanque de mistura e P o número de passes utilizado no trocador com arranjo em série. V f =(V pf +V mt ) (4) V pf =,44 P² + 3,7 P +.85 (5) V mt =,33 P² +,6 P (6) Na configuração padrão do equipamento, tem-se arranjos em série simétricos com, 6 e 4 passes contracorrente nas seções de regeneração, aquecimento e resfriamento, respectivamente. Pasteurizador bitubular O sistema de monitoramento foi também u- tilizado para estudar um pasteurizador bitubular em escala piloto (Figura 3), composto por dois trocadores bitubulares sendo um deles utilizado como seção de aquecimento e o outro como seção de resfriamento. Cada seção é composta por módulos de tubos concêntricos com,8 m de comprimento Entre as duas seções há um, o qual é isolado termicamente. Água gelada e água quente pressurizada são utilizadas como utilidades e escoam em contracorrente em relação ao produto. Os diâmetros interno e externo da tubulação do produto são respectivamente 4,5 mm e 6, mm. Figura 3 Pasteurizador bitubular utilizado no trabalho. Os sensores de temperatura foram inseridos em doze pontos do equipamento para o monitoramento da temperatura, conforme esquema na Figura 4. Os sensores T, T, T3, T4, T5 e T6 indicavam a temperatura em pontos da seção de aquecimento e os sensores T8, T9, T, T e T indicavam as temperaturas em pontos da seção de resfriamento. O termopar TJ (Figura 4) foi ligado diretamente a um controlador de temperatura o qual regulava a abertura e fechamento da válvula controladora do vapor injetado no circuito de água quente. O sensor TJ foi inserido no local correspondente ao final do, uma vez que a temperatura neste ponto é utilizada como parâmetro crítico do tratamento térmico de produtos alimentícios T5 T4 T3 T T T6 T7 T8 T9 T T T TJ controlador Figura 4 Esquema do pasteurizador bitubular indicando a localização dos sensores de temperatura Várias condições de processo podem ser estudadas neste equipamento e a condição de processo escolhida foi de tratamento térmico a 85 ºC com vazão de produto de 4 L/h. O tempo médio de residência entre os sensores de temperatura foi considerado igual ao tempo espacial, que pode ser calculado por meio das equa

4 ções (7) e (8), onde V, R e C correspondem, respectivamente, ao volume interno, raio e comprimento da tubulação e Q é a vazão volumétrica. V = (π R²) C (7) t m = V/Q (8) Este sistema bitubular de processamento térmico foi utilizado por Ditchfield (4) para estudo do processamento de purê de banana. No presente trabalho foram processados água e solução % de CMC (carboximetilcelulose), que a- presenta comportamento não-newtoniano pseudoplástico com viscosidade semelhante a de polpas de frutas. RESULTADOS E DISCUSSÃO Sistema de Monitoramento O software para o sistema de monitoramento foi elaborado com sucesso em LabView. O programa apresenta cinco abas gráficas que contêm: gráfico das temperaturas em função do tempo (Figura 5), equações de calibração dos sensores, sinais recebidos, esquema do processo com indicação de temperatura (Figura 6) e diagrama para conexão dos sensores no equipamento. Figura 5 Aba de aquisição de temperatura do software desenvolvido Figura 6 Aba de indicação de temperatura do software desenvolvido Através do sistema de monitoramento foi possível o acompanhamento em tempo real das temperaturas em diversos pontos do processo. Os dados são salvos automaticamente em formato tabela de texto e podem ser facilmente importados em planilhas eletrônicas (é possível alterar a freqüência de aquisição). Pasteurizador a placas Na Figura 7 é apresentado o histórico de temperatura obtido para a pasteurização do leite a 7 ºC e L/h. A análise deste perfil indica três problemas: ) A temperatura real na saída do tubo de retenção é de 74, ºC, o que indica que o controlador do processo precisa ser re-calibrado já que deveria manter esta temperatura em 7, ºC. ) As conexões de entrada e saída do tubo de retenção acabam por estender a residência em alta temperatura. 3) Devido à perda de energia ao longo do, a temperatura do produto atinge 74,7 ºC na saída do aquecimento. Temperatura (ºC) Tempo (s) Figura 7 Histórico de temperatura obtido para o pasteurizador a placas (azul) e histórico ideal (linha pontilhada) Estes três problemas contribuem para a e- levação da letalidade efetiva do processo. A linha pontilhada na Figura 7 indica o histórico ideal de temperatura, que corresponde a uma letalidade de s a 7 ºC. Calculando a letalidade através da equação () temos 7 s a 7 ºC, muito acima da desejada. É provável ainda que o produto apresente perdas nutricionais e sensoriais indesejáveis devido a estes desvios no processo. O gasto energético desnecessário com sobre-aquecimento também deve ser considerado. Pasteurizador bitubular Na Figura 8 é apresentado o histórico de temperatura obtido para o pasteurizador bitubular.

5 A análise deste perfil indica dois importantes problemas: ) As seções de aquecimento e de resfriamento estão superdimensionadas (excesso de área de troca térmica). ) O isolamento térmico do é muito ineficiente, forçando uma elevação de 9,5 ºC na temperatura de entrada no tubo (saída da seção de aquecimento). Temperatura (ºC) Tempo (s) Figura 8 Histórico de temperatura obtido para o pasteurizador bitubular (azul) e histórico ideal (linha pontilhada) Os dois problemas detectados acarretam grande elevação da letalidade. Considerando o processamento ideal (linha pontilhada na Figura 8), tem-se uma letalidade de 5,4 s a 85 ºC. Entretanto, o perfil de temperatura obtido fornece uma letalidade estimada de 34,6 min a 85 ºC. Para este equipamento é recomendada a redução da área de troca térmica, através da retirada de grampos de tubo concêntricos, e a troca do material isolante da seção de retenção. CONCLUSÕES O objetivo de desenvolver um sistema de monitoramento do histórico de temperatura em processamento térmico foi atingido. O sistema consiste de hardware de aquisição de dados e software programado para interface gráfica. O sistema foi aplicado a dois pasteurizadores e a- través dos resultados foi possível detectar diversos problemas que elevam de forma significativa a letalidade do processo e os gastos energéticos e é provável que os problemas detectados influenciem as características nutricionais e sensoriais de produtos processados. As falhas detectadas podem ser tratadas para garantir a qualidade dos produtos processados e o sistema de monitoramento para ser usado para avaliar os ganhos. NOMENCLATURA C Comprimento da tubulação (m) D Valor-D em T ref, cinética (s) F Letalidade em T ref (s) L t Taxa letal ( ) Q Vazão volumétrica (m 3 /s) R Raio interno da tubulação (m) t Tempo (s) t m Tempo de residência médio (s) T Temperatura (K) T ref Temperatura de referência (K) V Volume interno (m 3 ) V ef Volume interno efetivo (m 3 ) V mt Volume do tanque de mistura (m 3 ) V pf Volume de escoamento pistonado (m 3 ) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGUIAR, H.F.; GUT, J.A.W., 8. Histórico de temperatura em pasteurizador a placas: resultados experimentais e de simulação. In: XXI Congresso Brasileiro de Ciência e Tecnologia de Alimentos, Belo Horizonte. AWUAH, G.B.; RAMASWAMY, H.S.; ECONOMIDES, A., 7. Thermal processing and quality: Principles and overview. Chem Eng Proc 46, DITCHFIELD C., 4. Estudo do processamento contínuo do purê de banana (Musa cavendishii Lamb.), Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo- SP (Tese de Doutorado). GUTIERREZ, C.G.C.C.; DIAS, E.F.T.S.; GUT, J.A.W., 8. Distribuição do tempo de residência no trocador de calor a placas de um pasteurizador de leite. In: XXI Congresso Brasileiro de Ciência e Tecnologia de Alimentos, Belo Horizonte. JUNG, A.; FRYER, P.J., 999. Optimising the quality of safe food: computational modelling of a continuous sterilisation process. Chem Eng Sci 54(6), LEWIS, M.; HEPPELL, N.,. Continuous thermal processing of foods: pasteurization and UHT sterilization. Gaithersburg: Aspen Publishers. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPESP pelo auxílio financeiro e ao CNPq pelas bolsas concedidas.