trabalho de introdução a engenharia de alimentos

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE TECNOOGIA – DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA DE ALIMENTOS
IT 256 – INTRODUÇÃO À ENGENHARIA DE ALIMENTOS
PROFESSOR: JOSÉ LUCENA BARBOSA JÚNIOR
BALANÇO DE MASSA E ENERGIA NA PRODUÇÃO DE SUCO CONCENTRADO DE LARANJA
Aline Rolim Alves da Silva – 201221501-5	
Isabela Mattos de Carvalho Nunes – 201221511-2
Mariá Toledo de Carvalho Silva – 201221519-8
Seropédica, 01 de Dezembro de 2014
Setor altamente organizado e competitivo, a citricultura é uma das mais destacadas agroindústrias brasileiras. Responsável por 60% da produção mundial de suco de laranja, o Brasil é também o campeão de exportações do produto.
	Entretanto, a maior parte da produção de laranja não é destinada para o consumo in natura: cerca de 50% da produção mundial de laranja e 80% da brasileira resultam em sucos industrializados. O principal comprador da bebida brasileira é a União Europeia que aumenta significativamente o percentual de importação anualmente. A maior parte das importações mundiais, 85%, é absorvida por apenas três mercados: Estados Unidos, União Europeia e Canadá. (Ministério da agricultura) 
	Como o suco produzido no Brasil é praticamente todo destinado à exportação, o suco é concentrado para reduzir os custos de transporte e armazenamento. Além das vantagens de ordem econômica, a concentração aumenta a estabilidade microbiológica do suco. (QUEIROZ; MENEZES, 2005)
	As características essenciais que compõem a qualidade do suco de laranja e que estão relacionadas com as exigências demandadas pelo mercado consumidor, pelos órgãos reguladores e pelas empresas processadoras, são dos seguintes tipos:
	Físico-quimicas: rátio (índice de acidez), brix (porcentagem de sólidos existentes em determinado produto líquido), vitaminas, ácidos, compostos nitrogenados, porcentagem de polpa, óleo;
	Organolépticas: sabores, cor, aroma;
	Microbiológicas: limitação da quantidade de microorganimos contidos no suco;
	Práticas de processo: autenticidade de produto, controle de pesticidas na fruta, controle de metais pesados. (TOLEDO, 1997)
	Para entender o processo industrial de obtenção do suco concentrado de laranja, precisamos entender alguns conceitos relevantes e atentar para algumas observações fundamentais: em todo e qualquer processo três grandezas são conservadas: a quantidade de movimento, a massa total e a energia total (mecânica, potencial, cinética, calor e trabalho). 
	Energia cinética é a energia relacionada à variação de velocidade em relação a um referencial. Já a energia potencial se dá devido à variação de altura do volume de controle em relação a um referencial fixo. Energia interna (U) está relacionada com as interações e os movimentos microscópicos relativos dos átomos do sistema.
	Calor (Q) é uma forma de energia que cruza as fronteiras do sistema quando há diferença de temperaturas entre o sistema e sua vizinhança. Por convenção, admitiremos que Q é positivo quando o calor for transferido para o sistema e, negativo quando o calor for liberado pelo sistema.
Trabalho (W) é a energia transferida a um corpo através da aplicação de uma força ao longo de uma trajetória ou quando há uma diferença de pressão entre vizinhança e volume de controle. Por convenção, considera-se que W como positivo quando for realizado sobre o sistema, e negativo quando for realizado pelo sistema sobre o meio ambiente. Trabalho de eixo (Ws) é o trabalho realizado sem que ocorra a deformação dos limites do sistema, esse tipo de trabalho aparece no caso de equipamentos com motores, onde energia de outra fonte é convertida em energia mecânica.
	Além disso, é importante saber que os processos industriais caracterizam-se por ser uma etapa ou conjunto de etapas que resultam na transformação de um insumo em um produto com características próprias. Eles podem ser contínuos, com escoamento constante de reagentes e produtos; semicontínuos, em que produtos ou reagentes escoam para dentro ou para fora do sistema; ou em bateladas, com utilização de quantidades preestabelecidas de reagentes.
	Os processos também podem ser classificados quanto às vazões de massa que são alimentadas ou descarregadas. Dividem-se em sistemas abertos: interagem com o meio ambiente através do escoamento de matéria; e fechados: sistemas em que não existem correntes de alimentação e descarga. Os sistemas abertos podem operar em regime permanente, quando não apresentam modificações com o tempo de processo, ou seja, não há acúmulo de nenhuma grandeza no interior do sistema; ou transiente, quando ocorrer acúmulo, ou consumo, de uma grandeza no interior do sistema como resultado de diferenças nas correntes de alimentação e descarga.(MEIRELES; PEREIRA, 2013) 
	Tais correntes de alimentação e descarga podem ser equacionadas em balanços de massa e energia. O balanço de massa representa uma peça fundamental do projeto de equipamentos e torna-se complexo quando tratamos de processos constituídos por diversos equipamentos interligados. Esta complexidade aumenta em sistemas multifásicos, heterogêneos e com reações químicas. Por isso, é necessária uma sistematização das informações disponíveis para que seja possível uma solução clara e objetiva. O balanço de massa global é responsável por computar as quantidades totais das correntes que fluem em um processo. Portanto para um sistema fechado (processamento em batelada, por exemplo, este balanço não se aplica).
ΣF ENTRAM - ΣF SAEM = M ACUMULADA (equação genérica para um balanço de massa)
	Os balanços de massa são ditos em Estado Estacionário quando não apresentam termo de acúmulo, ou seja, o conteúdo do sistema não apresenta variação ao longo do tempo. São ditos em Estado Transiente em caso contrário.
	Além disso, os balanços de massa podem ser feitos considerando-se uma determinada espécie ou componente de cada uma das correntes que transitam no sistema, bem como a variação da quantidade destas espécies presentes neste e as quantidades geradas ou consumidas quando houver reação química. A equação a seguir resume a aplicação do balanço de massa para uma espécie “J”:
ΣFJ ENTRAM –Σ FJ SAEM + [MJ GERADA – MJ CONSUMIDA]tempo = MJ ACUMULADA
(HIMMELBLAU)
As etapas do processo de produção de suco concentrado de laranja são:
RECEPÇÃO, SELEÇÃO E ARMAZENAMENTO
As laranjas utilizadas no processamento do suco concentrado são transportadas em caixas plásticas com capacidade de 20 kg, que chegam à indústria através de caminhões. A fruta é descarregada em esteira transportadora, onde passam por uma inspeção visual para a remoção de laranjas podres ou danificadas. As laranjas são analisadas em sua acidez, concentração (graus Brix) e rendimento. Esta etapa tem como objetivo, a mistura de frutas de diferentes células dos silos, de modo a obter-se uniformidade no produto elaborado (RIBAS, 2000).
Em seguida, as laranjas são pesadas em uma balança de plataforma e armazenadas em caixas plásticas vazadas, em local próprio (estoque de matéria-prima), com circulação de ar e sem incidência de luz solar direta, por no máximo 48 horas, de onde seguem para linha de produção. (URANO, 2003) Como o tempo de estocagem é curto, não há necessidade de resfriamento, nem controle de atmosfera (RIBAS, 2000). 
LAVAGEM
As frutas são lavadas para retirar as sujidades da casca.  Os frutos recolhidos dos silos, mecanicamente, são lavados e limpos. Onde, bicos pulverizadores aspergem água e solução de detergente e bactericida sobre a fruta transportada sobre rolos de esteira, fazendo com que toda a extensão da casca seja molhada, cuja ação é aumentada pelo uso de escovas rotativas de nylon sob pulverização de água quente e clorada (PROGRAMA DE INVESTIMENTOS INTEGRADO PARA O SETOR AGROPECUÁRIO, 1975) (QUEIROZ; MENEZES, 2005).
EXTRAÇÃO
O objetivo do processo de extração do suco é remover o máximo de suco da fruta sem incluir matéria da casca, o que significa obter maior quantidade de suco com a qualidade desejada. O máximo de sucoobtido na extração é cerca de 40-60%, dependendo do peso da fruta, da variedade e do clima (TETRA PAK, 1998). A extração do suco de laranja deve ser rápida para garantir que não haverá danos irreparáveis na qualidade (PROGRAMA DE INVESTIMENTOS INTEGRADO PARA O SETOR AGROPECUÁRIO, 1975). 
As extratoras são ajustadas para receber diferentes tamanhos de laranjas. Assim, cada fruto recebe pressão para que seja extraído o máximo de suco sem retirar componentes indesejados, que não devem ser misturados. O restante, como o bagaço e as sementes, é encaminhado para a fabricação de subproduto (NEVES et al., 2011).
Os equipamentos disponíveis para a moagem incluem os moinhos de facas e os de martelos e constituem-se em um dos equipamentos do processo que definem a velocidade de produção, razão da necessidade do cálculo de sua eficiência dentro do contexto da unidade. Em função da característica essencialmente ácida da matéria-prima, há necessidade de que estes equipamentos sejam construídos com material que resista ao processo agressivo de corrosão, como é o caso do aço inoxidável (VENTURINI FILHO, 2005). 
PASTEURIZAÇÃO
O tratamento térmico utilizado é a pasteurização, que irá eliminar a maior parte da flora microbiana e inativará a pectinesterase, enzima que acelera a hidrólise na molécula de pectina formando ácido péctico e metanol causando instabilidade no suco, como opacidade, geleificação e formação de compostos insolúveis que sedimentam no fundo da embalagem.
O aquecimento é feito em um trocador do tipo de placas ou de tubos com circulação de vapor, onde o vapor transfere calor latente para o suco, aumentando, assim, sua temperatura.  O processo de pasteurização não modifica consideravelmente os aspectos sensoriais e o valor nutricional do suco. (QUEIROZ; MENEZES, 2005). (PROGRAMA DE INVESTIMENTOS INTEGRADO PARA O SETOR
AGROPECUÁRIO, 1975; RIBAS, 2000). 
A pasteurização é realizada a 120,8 kPa por 30 segundos.
CONCENTRAÇÃO
Durante o processo de concentração, o suco que apresenta aproximadamente 15% de sólidos soluveis passa para  65%, e utiliza-se a pressão de 169 kPa. As determinações do grau de concentração são realizadas através do monitoramento do Brix, assim se controla o fluxo do suco em função do Brix final desejado (QUEIROZ; MENEZES, 2005).
No processo de evaporação, o suco perde sua fração volátil em que estão as essências. Por ser um produto de alto valor comercial, todos os evaporadores têm sistemas recuperadores de essências. Elas podem ser reincorporadas ao suco ou serem armazenadas separadamente como produto a ser vendido (CETESB, 2005).
RESFRIADOR
O resfriamento é realizado em trocador de calor tubular de superfície raspada, pois são os mais adequados para produtos de alta viscosidade e alto teor de sólidos. O alimento líquido passa através de um tubo a outro entrando a 90 °C e saindo a 20 °C, e água entra a 5 °C e recirculada através das paredes do tubo, saindo do processo a 40 °C. 
ENVASE
A embalagem utilizada para o suco concentrado de laranja foi a garrafa de vidro, pois são mais eficazes como barreira à entrada de ar e totalmente reciclável, sem nenhuma perda das suas características originais (BARÃO, 2011). Antes do envase, deve-se proceder a lavagem das garrafas de vidro com solução clorada e posterior enxague com água.  (SAVA, 2013).
O sistema de envase utilizado tem menor contato do suco com o ar possível, evitando-se as oxidações e eventuais contaminações. Deve permitir, também, rapidez no enchimento e ausência de gotejamentos. A enchedora também é de fácil lavagem e sanitização (RIZZO; MENEGUZZO, 2007).
ROTULAGEM
Os rótulos são colocados no suco manualmente, aplicando-se cola e afixando-os nas garrafas, e seus dizeres, em caracteres visíveis e legíveis de acordo com o Decreto nº 6.871, de 4 de junho de 2009 (BRASIL, 2009):
ARMAZENAMENTO
As garrafas acondicionadas manualmente em embalagens secundárias do tipo papelão são armazenadas no setor de expedição, onde os produtos ficam protegidos do calor, sem incidência de luz solar direta, boa ventilação e isento de odores desagradáveis. 
As caixas são depositadas sobre pallets e afastadas das paredes para permitir a correta limpeza do local (BARRETO, 2013).
BARÃO, M. Z. Embalagens para produtos alimentícios. Instituto de Tecnologia do Paraná –
TECPAR, Paraná, ago. 2011. Disponível em: <http://www.respostatecnica.org.br/dossietecnico/downloadsDT/NTY0MQ==>.
BARRETO, C.S.R. Processamento de Suco Concentrado de Laranja. Natal, RN. Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2013.
BRASIL. Decreto nº 6.871, de 04 de junho de 2009, que Regulamenta a Lei Nº 8.918, de 14 de
julho de 1994, dispõe sobre a padronização, a classificação, o registro, a inspeção, a produção e a
fiscalização de bebidas. Diário Oficial da União, Brasília, DF, p.20, 4 jun. 2009. 
CETESB. Câmara ambiental do setor da indústria cítrica. Disponível em:
<http://www.cetesb.sp.gov.br/tecnologia-ambiental/cas-em-atividade/47-ca-do-setor-da-industriacitrica>.
HIMMELBLAU, D. M., Engenharia Química Princípios e Cálculos, Prentice-Hall. Disponível em:
<http://www.eqm.unisul.br/prof/marcos/cursos/bme/Introducao_Balancos_Massa_e_energia.pdf>
MEIRELES, M.A.A.; PEREIRA, C.G. Fundamentos de Engenharia de Alimentos, vol 6, São Paulo: Atheneu, 2013
MINISTÉRIO DA AGRICULTURA, <http://www.agricultura.gov.br/vegetal/culturas/citrus>.
NEVES, M. F.; TROMBIN, V. G.; MILAN, P.; LOPES, F. F.; CRESSONI, F.; KALAKI, R. O
retrato da citricultura brasileira, São Paulo: CitrusBR, 2011. 138p.
PROGRAMA DE INVESTIMENTOS INTEGRADO PARA O SETOR
AGROPECUÁRIO (RS). Suco concentrado de laranja. Porto Alegre: Pallotti, 1975.
113p. Il. (Perfis de agroindústria, v.1). 
QUEIROZ, C. E.; MENEZES, H. C. Suco de laranja. In: VENTURINI FILHO, W. G.
(Coord.) Tecnologia de bebidas: matéria-prima, processamento, BPF/APPCC, legislação e
mercado. São Paulo: Edgard Blücher, 2005. p. 221-254.
 
RIBAS, A.F.; FLORES, L.F. Suco de Laranja Pasteurizado. Disponível em:
<http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/prfruta/sucolara/apresent.htm>. 
RIZZON, L. A.; MENEGUZZO, J. Suco de uva. Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária,
Brasília, DF: Embrapa Informação Tecnológica, 2007.
SAVA Equipamentos Industriais. Envase a gravidade e isobárico. Disponível em:
<http://www.savaequipamentos.com.br/equipamentos-e-servicos-detalhes.php?id=4>.
TETRA PAK. The orange book. 1998, 206 p
TOLEDO, J.C.; Gestão da qualidade na Agroindustria, cap.8. In: BATALHA, M.O. et ali. Gestão Agroindustrial. São Paulo, Atlas, p.437-487,1997. Disponível em:
<http://www.scielo.br/pdf/gp/v6n2/a03v6n2.pdf>
URANO. Industrial – Balanças de plataforma. Disponível em:
<http://www.urano.com.br/index.asp?InCdSecao=5&InCdSubCategoria=26>.
VENTURINI FILHO, Waldemar Gastoni. Tecnologia de bebidas: matéria-prima,
processamento, BFC/APPCC, legislação e mercado. 1.ed. São Paulo: Edgard
Blücher, 2005. 550p
Anexos:
Cálculos
Pasteurizador
Balanço de massa:
Balanço de energia
 , com o Brix é de 12% então, 
, 
Concentrador
Balanço de massa:
Como , teremos que 
Logo se faz o balanço de massa por componente, sólidos, onde 
 , onde 
E com isso, 
 Balanço de energia
 , com o Brix é de 12% então, 
 , com o Brix é de 65% então, 
Logo, 
Resfriador
Balanço de massa:
Balanço de energia:
 , com o Brix é de 65% então, 
 
Envase
Balanço de massa:
, fazendo a conversão 
1000g = 1 Kg e 1000mL = 1L
Com a densidade do suco concentrado, transforma-se a vazão mássica em vazão volumétrica.
M= 
O envase é de , como a garrafa é de 1L, são envasados de suco de laranja.
O balanço de massa pode ser escrito da seguinte forma:
, onde 
Então,
 por ser um único liquido, as densidades são iguais, logo podem ser cortadas.
Momento 1:
A envasadora iniciará o processo de envase quando o acúmulo no tanque for de 500L de suco
 , onde 
Então, o suco começaráa ser envasado a 0,33h
Momento 2:
Quando o acúmulo no tanque atingir o volume de 1500L, o fluxo de entrada é interrompido
 
 
Momento 3:
Quando o acúmulo do tanque retornar ao volume de 500L, o fluxo de entrada é retomado
 , onde