15/03/016 Universidade Tecnológica ederal do Paraná Campus Londrina Departamento Acadêmico de Alimentos Operações Unitárias na Indústria de Alimentos Centrifugação Profa. Marianne Ayumi Shirai Centrifugação Esta operação unitária tem por objetivo separar partículas que não são facilmente separadas por decantação, que em alguns casos é muito lenta; Separação de misturas heterogêneas formadas por sólidos + líquidos e líquidos + líquidos; A separação gravitacional pode ser muito lenta devido a vários fatores: tamanho pequeno das partículas; densidades próximas da partícula e do fluido; forças associativas que mantém componentes ligados (como nas emulsões). O uso da força centrífuga aumenta a força que atua sobre o centro de gravidade das partículas, facilitando a separação e diminuindo o tempo de residência no equipamento. 1
15/03/016 Centrifugação A força centrífuga é gerada quando os materiais entram em rotação e a força depende: do raio, da velocidade de rotação e da densidade do material centrifugado; A centrifuga é um recipiente cilíndrico que gira a alta velocidade criando um campo de força centrífuga que causa a sedimentação das partículas. Os fluidos e sólidos podem exercer uma força muito alta contra à parede do recipiente, esse fato limita o diâmetro das centrífugas. Centrifugação O fluxo depende da natureza da mistura e das características da centrífuga; Natureza do produto Densidade das partículas: quanto maior a diferença de densidade, mais fácil é a separação; Tamanho das partículas: é interessante aumentar o volume; Viscosidade: fluxo é inversamente proporcional à viscosidade => pode-se aumentar a temperatura.
15/03/016 Equações Em um movimento circular a aceleração proporcionada pela força centrífuga é: a e r a e = aceleração devido à força centrífuga (m/s ) r = distância radial do centro da rotação (m) ω = velocidade angular (radianos / s). a e distância do eixo de rotação e com a velocidade de rotação. A força centrífuga sobre uma partícula girando em uma trajetória circular é dada por: c ma e c mr A velocidade de rotação é normalmente expressada em rotações por minuto (RPM), onde ω = π N/60, desta forma a equação pode ser escrita como: c mr c N mr 60 0,01097 mr N Se compararmos com a força da gravidade (g) sobre a partícula com a força centrífuga (c): g mg c g mr r mg g N 60 Assim, a força desenvolvida em uma centrífuga é rω /g vezes maior que a força gravitacional. r g c g 60g c r N 0.001118r N 3 g K 1,1 10 r N 3
15/03/016 Se uma centrífuga de 1 m de diâmetro girar a.000 rpm, resultará em K =.40. Isto significa que atuará sobre as partículas uma força igual a.40 vezes o seu próprio peso. K 1,1 10 3 r N 7 Equações Quando as partículas são removidas dos líquidos por centrifugação, elas movemse para a parede da centrífuga devido à força centrífuga; Se o fluxo for laminar, a taxa de sedimentação em um raio r, de acordo com a lei de Stokes é : rdp p vt 18 v t = velocidade de sedimentação na direção radial (m 3 /s) D p = diâmetro da partícula (m) µ = viscosidade do líquido (N.s/m ) ρ p = densidade da partícula (kg/m 3 ) ρ = densidade do líquido (kg/m 3 ) 4
15/03/016 Tempo de residência Para um dado diâmetro de partícula, o tempo de residência média de uma suspensão iguala-se ao tempo que uma partícula leva para ir até a parede da centrífuga através do líquido: t r = V q Volume do líquido no tambor: V ( r r ) b 1 Tempo de residência: t r 18 r ln p Dp r1 Vazão volumétrica: q p Dp br r 18 ln r / r 1 1 As partículas com diâmetro menor que D p não alcançam a parede do tambor e saem com o efluente. As partículas maiores atingem a parede e são separadas. Separação líquido-líquido Os líquidos são imiscíveis, mas estão dispersos como uma emulsão; Ex.: centrifugação do leite integral separando-o em leite desnatado e nata; A espessura das camadas é determinada pela densidade dos líquidos, pela diferença de pressão através das camadas e pela velocidade de rotação; Uma região limite entre os líquidos em uma dada velocidade de rotação forma-se em um raio r n, que é chamada de zona neutra; É importante no desenho dos equipamentos para determinar a posição dos tubos de alimentação e descarga. r n = ρ A r 1 ρ B r ρ A ρ B r n = raio da zona neutra ρ A = densidade do líquido pesado ρ B = densidade do líquido leve 5
15/03/016 Equipamentos As centrífugas são classificadas em: Separação de líquidos imiscíveis; Clarificação de líquidos para remoção de pequenas quantidades de sólidos (centrífugas clarificadoras); Remoção de sólidos (centrífugas de remoção de água ou lodo). Centrífugas de cesto tubular Consiste de um tambor vertical (0,1 m de diâmetro e 0,75 m de comprimento) que gira dentro de um compartimento estacionário a uma velocidade de 15.000 a 50.000 rpm, dependendo do diâmetro; A alimentação é feita pela base do cilindro, e os dois líquidos são separados e descarregados por meio de um sistema de drenagem circular, pelas saídas estacionárias 6
15/03/016 Centrífuga de disco Usada em separações líquido-líquido, algumas podem separa partículas finas de sólidos; A mistura é alimentada pelo fundo da centrífuga e escoa para cima passando através de buracos espaçados nos discos; Os buracos dividem a seção vertical em uma seção interna, onde fica o líquido leve, e uma seção externa, onde fica o líquido pesado; Estes centrifugadores funcionam à velocidade de.000 a 7.000 RPM; As capacidades dessas centrífugas vão até 150.000 L /h. Centrífuga de disco 7
15/03/016 Centrífugas decantadora Consiste em um transportador de rosca-sem-fim movido horizontalmente, que revolve a suspensão a uma velocidade direcional ótima dentro de uma cesta cônica giratória; Podem ser usadas para a separação sólido-líquido e a descarga acontece devido à inclinação da cesta e a velocidade diferencial do rolo; No ponto de separação, os sólidos são carregados para adiante pelo rolo até descarregar pela extremidade da cesta filtrante, com o filtrado passando diretamente através da tela; Separa suspensões com alta concentração de sólidos => indústria de cerveja para separar o mosto após cozimento, separação do azeite de oliva e separação de caseína e de lactose Centrífugas decantadora 8
15/03/016 Centrífugas de cesto Tem um cesto de metal perfurado revestido com um meio filtrante que gira até 000 rpm, em ciclos controlados. Potência Consumida O consumo de energia é o máximo quando a centrífuga está acelerando; A energia necessária para acelerar uma centrífuga de raio r desde o repouso até a rotação N pode ser calculada pela expressão: 3.. N 1 P 1,341 10 m r 60 5.. P 1,47 10 m r N P = potência em HP; m = massa total (centrífuga + carga) (kg); r = raio de giração (m); N = rpm; = tempo de aceleração (s). 9
15/03/016 Aplicações de centrífugas no processamento de alimentos Bebidas Clarificação de polpas e sucos rutas e hortaliças Remoção de água vegetais minimamente processados Laticínios Desnate e Padronização do Leite : remoção e ajuste do teor de gordura presente no leite. Desnate e Clarificação de Soro : separação da gordura do soro de leite e remoção de sujidades. Clarificação de Leite: remoção de sujidades, em geral Concentração do Creme : ajuste do teor de gordura do creme adequando-o para as mais variadas aplicações Aplicações de centrífugas no processamento de alimentos Óleos Clarificação de Óleo de Prensagem Degomagem, neutralização, desodorização Biotecnologia Clarificação de Algas ermento de Panificação Clarificação de Melaço Extrato de Levedura Recuperação de ermento (Destilarias) Produtos Extra-Celulares (Aminoácidos, Acido Acético, Glutamato Monossódico, Lisina, Ácido Cítrico, Triptofano, enzimas etc) 10
15/03/016 Exercícios 1. Calcule a rotação em rpm necessária para separar partículas maiores do que 8 m de 5 kg/h de uma suspensão em uma centrífuga de 30 cm de altura. Considere a densidade do sólido igual a 1,8g/cm 3, a densidade e viscosidade do fluido igual a 1,1g/cm 3 e 90cP respectivamente. Dados: r 1 = 3,9cm e r =,6cm.. Quanto tempo uma centrífuga de m de diâmetro leva para atingir 1000 rpm se a potência máxima disponível é 5HP? Considere a carga total (centrífuga + produto) igual a 50kg. 3. Qual a quantidade máxima de suspensão que pode ser alimentada em uma centrífuga de 5cm de altura operando com velocidade de 0.000 rpm para separar cristais de 1m? Considere o raio interno da suspensão igual a 1,1cm e o externo,,3cm. Dados: densidade do sólido = 1,5g/cm 3, densidade do fluido = 1,1g/cm 3, viscosidade do fluido = 100cP. Exercícios 4. Na separação centrífuga da nata utiliza-se um separador com raio de descarga de 5 cm e 7,5 cm. Se a densidade do leite desnatado é 103 kg/m 3 e de nata é 915 kg/m 3, calcule o raio da zona neutra de forma que o ponto de alimentação possa ser projetado. Dados: ρa = 103 kg/m 3, ρb= 915 kg/m 3. 11