Engenharia de Alimentos: Processos e Operações

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O que é Engenharia de Alimentos 
 
Engenharia é a arte da aplicação de conhecimentos científicos e empíricos e 
certas habilidades específicas à criação de estruturas, dispositivos, processos, produtos 
e serviços que se utilizam para converter recursos naturais em formas adequadas ao 
atendimento das necessidades humanas. 
 
Engenharia de Alimentos, de forma similar, pode ser definida como: ''...a 
aplicação dos princípios das ciências físicas, químicas, biológicas, e matemáticas, 
juntamente com os princípios da economia das relações humanas, do direito, e da 
informática, aos campos que são diretamente pertinentes aos processos e aos 
equipamentos de processos nos quais se tratam matérias-primas, ingredientes e 
aditivos visando a provocar modificações de estado, de energia ou de composição....''. 
 
De certa forma, as definições dadas acima são vagas e incompletas. Qualquer 
outra terá que ser bastante abrangente para abarcar todo o campo de uma engenharia, 
principalmente a da engenharia de alimentos. Deve-se observar que a importância dos 
processos e dos equipamentos é realçada em ambas as definições. 
 
O que é Processo 
 
Na indústria de alimentos a matéria prima e os ingredientes são submetidos a 
diversas etapas de processamento com o objetivo de obter-se o produto final 
acabado. Dá-se a denominação de processo a esse conjunto de etapas que pode 
envolver tanto modificações físicas como químicas no material 
 
O trabalho de um engenheiro de alimentos, tal como o de um engenheiro 
químico, pode envolver a escolha apropriada de etapas, bem como a seqüência 
apropriada de etapas que o material deve seguir no processamento. Esta escolha 
pode estar associada, por exemplo, a questões de ordens químicas, bioquímicas, ou 
ainda microbiológica. Um engenheiro de alimentos também deve ser capaz de 
especificar equipamentos e condições para o processamento em cada etapa, ou seja, 
as variáveis do processo. 
 
Na [Figura 1] é mostrado o processo de fabricação de leite pasteurizado, o 
qual compreende diversas etapas. Pode-se identificar na Figura 1 as distintas etapas, a 
saber: transferência de leite através de bomba, pré-aquecimento do leite na seção de 
recuperação de calor do pasteurizador como fluido frio, centrifugação para remoção 
de creme e padronização do teor de gordura, aquecimento, homogeneização, 
passagem pelo tubo de retenção, passagem novamente pela seção de recuperação de 
calor como fluido quente, resfriamento, armazenagem em tanque de leite 
pasteurizado, transferência através de bomba para a máquina de embalagem. 
 
As etapas necessárias, bem como a seqüência das etapas, os equipamentos e as 
variáveis do processo foram selecionados de tal forma que no final do processamento 
o produto fabricado - leite pasteurizado, esteja em conformidade com a legislação 
vigente, e a um custo acessível para o consumidor. 
Tanque de
Equilíbrio
Bomba
Válvula
Homogeneizador
Válvula
Centrífuga
Retardador
Válvula
de
Desvio
Tanque
Leite Pasteurizado
Bomba
Creme
Tanque de
Água Gelada
Preparo
Água Quente
Válvula
Redutora de Pressão
 
Válvula de
ControleVapor
Painel de
controle
Sensor
Silo de
Leite Cru
Envasadora
Caixas
Bomba
Ar
Comprimido
Sensor
Diagrama de
Pasteurização de Leite
Manômetro
Pasteurizador
Aquecimento-Regeneração-Resfriamento
Leite Padronizado
Reposição de águaDreno de
Excesso
 
 
Figura 1 - Processo de fabricação de leite pasteurizado. 
 
A posição da etapa de centrifugação e padronização do teor de gordura foi 
escolhida com base técnica. É difícil separar os glóbulos de gordura do leite quando 
este se encontra em temperatura baixa, já que a viscosidade aumenta com o 
abaixamento da temperatura. Por outro lado, o pré-aquecimento do leite para a 
recuperação de energia tem dois efeitos: primeiro no aspecto econômico (custo da 
energia para aquecimento e produção de água gelada), e segundo no abaixamento da 
viscosidade do leite, o que facilitará a remoção dos glóbulos de gordura. 
 
Deve-se ter em mente que, hoje em dia, o trabalho um engenheiro é 
multidisciplinar e que uma vez projetado o processo, o trabalho pode necessitar do 
engenheiro mecânico para projetar o equipamento, do engenheiro eletrônico para os 
sistemas de controle, etc.. 
 
O que é Operação Unitária 
 
Os processos de fabricação de alimentos são constituídos de uma seqüência 
de etapas, que podem ser muito diferentes entre sí, porém possuem princípios 
fundamentais independentes da matéria-prima que está sendo processada e de 
outras características do sistema. Há muita similaridade na forma em que a matéria-
prima é modificada fisicamente e ou quimicamente para obter-se o produto acabado. 
 
Podem-se tomar processos químicos, físicos e biológicos na fabricação de 
produtos, que aparentemente tem muito pouco em comum, e dividi-los numa série de 
etapas distintas denominadas de operações unitárias. Estas operações são comuns a 
muitos tipos de indústrias de processos, isto é, indústria de alimentos, indústria 
química, de mineração, de petróleo, etc..Em operações unitárias se lida com a 
transferência e alterações de energia e de material, principalmente através de meios 
físicos, mas também através de meios físico-químicos. 
 
Por exemplo, pode-se citar a operação unitária destilação que é utilizada tanto 
para a separar álcool na indústria de bebidas como na indústria de álcool combustível, 
bem como para petróleo. A operação unitária desidratação é utilizada na indústria de 
alimentos (grãos, legumes) e na indústria agro-florestal para a secagem de madeira . A 
operação unitária evaporação é utilizada na indústria de alimentos para a fabricação 
de doces de frutas em tachos abertos, fabricação de sucos concentrados e leite 
condensado em evaporadores a vácuo, ao passo que a indústria química utiliza a 
mesma operação para remover a água de uma solução salina. 
 
Várias operações unitárias têm princípios fundamentais e mecanismos em 
comum. A transferência de massa por difusão ocorre na secagem, separação por 
membranas, absorção, destilação e cristalização. A transferência de calor ocorre nas 
operações de destilação, secagem, e evaporação. A transferência de quantidade de 
movimento ocorre no escoamento de fluidos, na agitação e mistura e na 
homogeneização. 
 
Classificação de Operações Unitárias 
 
1. Escoamento de Fluidos - esta operação está relacionada com os princípios que 
governam o transporte de fluidos de um ponto para outro na indústria, bem como na 
agitação e mistura e homogeneização. 
 
2. Transferência de Calor - esta operação está relacionada com os princípios que 
governam o cúmulo e o transporte de calor e de energia de um ponto para outro na 
indústria. 
 
3. Evaporação - esta é uma operação que pode ser considerada um caso especial de 
transferência de calor, na qual lidas-se com a remoção de um solvente volátil de uma 
solução. A evaporação é realizada na temperatura de ebulição do solvente. 
 
4. Desidratação - nesta operação é realizada a remoção de um solvente volátil de um 
material sólido; a secagem é um caso particular da operação desidratação, e que 
difere da evaporação, pois a remoção do solvente é realizada em uma temperatura 
inferior àquela de ebulição do solvente. 
 
5. Destilação - nesta operação os componentes de uma mistura líquida são separados 
por ebulição devido a diferença de pressão de vapor dos componentes. 
 
6. Absorção - refere-se a remoção de um componente de uma corrente gasosa através 
de um líquido. 
 
7. Separação por Membrana - no caso da remoção de um soluto de fluido (líquido 
ou gás) forçando-o s passar através de uma barreira semi-permeáve (membrana) para 
outro fluido. 
 
8. Extração em Sistema Líquido-Líquido - nesta operação um soluto presente numa 
soluçãoé removido através do contato com outro líquido solvente, o qual é 
relativamente imiscível com a solução. 
 
9. Adsorção - no caso da remoção de um componente de um gás ou soluto de uma 
fase líquida através da interação com uma fase sólida. 
 
10. Extração em Sistema Sólido-Líquido - também denominada de lixiviação, é uma 
operação em que um sólido particulado é lavado com um líquido que extrai solutos 
contidos no sólido. 
 
11. Cristalização - é uma operação onde um soluto (sal, açucar, proteína) que seja 
cristalizável, isto é forme cristais, que podem ser separados da solução em uma outra 
operação. 
 
12. Separações Físicas e Mecânicas - envolve a separação de sólidos, líquidos e 
gases através de meios mecânicos (forças por exemplo), tal como na filtração, 
sedimentação no campo gravitacional, e centrifugação (sedimentação no campo 
centrífugo). Filtração, sedimentação e centrifugação são comumente tratadas como 
operações unitárias separadamente. 
 
 O conceito de operações unitárias em engenharia química se tornou evidente 
entre os engenheiros de vanguarda nos Estados Unidos da América, e foi apresentado 
pela primeira vez, com clareza, por A. D. Litte, em 1915: 
 
Qualquer processo químico, qualquer que seja a sua escala, pode ser 
decomposto em uma série coordenada do que se podem denominar “ações 
unitárias”, como moagem, misturação, aquecimento, ustulação, absorção, 
condensação, lixiviação, precipitação, cristalização, filtração, dissolução, eletrólise, 
etc. O número dessas operações unitárias básicas não é muito grande, e 
relativamente poucas delas estão presentes em um processo particular qualquer. As 
complexidades da engenharia química provem da diversidade das condições, como a 
temperatura, a pressão, etc., sob as quais as ações unitárias devem ser realizadas nos 
diversos processos, e das limitações dos materiais de construção e do projeto dos 
equipamentos, impostos pelo caráter físico e químico das substâncias reagentes. 
 
A relação acima contém uma série de operações unitárias. Porem, nem todas 
podem ser consideradas efetivamente como sendo uma operação unitária típica. Desde 
aquela época foram acrescentadas outras operações unitárias á relação mencionada. 
 
 
Conceitos em Engenharia de Processos 
 
O engenheiro de alimentos deve estar familiarizado com diversos conceitos 
em engenharia de processos, para que seja possível entender todo o escopo das 
operações unitárias que formam o processo de fabricação do alimento. 
 
Equilíbrio 
 
Para um sistema com qualquer combinação de fases há uma condição em que 
a taxa de troca de certas grandezas do sistema, tal como massa, energia, é igual a zero. 
A esta combinação dos estados das fases denomina-se equilíbrio do sistema. 
 
Haverá uma diferença de potencial para todas as situações de não-equilíbrio, 
quando ocorrer uma diferença entre a concentração de uma grandeza, existente em 
uma certa condição, e a concentração que a mesma teria no equilíbrio. 
 
Força Motriz 
 
Quando duas substâncias, ou duas fases, que não estão em equilíbrio, são 
justapostas, há tendência de ocorrer modificação que provoca uma aproximação no 
sentido da condição de equilíbrio. A diferença entre a condição existente e a condição 
de equilíbrio é a força motriz, ou a diferença de potencial, que provoca esta 
modificação (FOUST et al., 1980). 
 
Por exemplo, a diferença pode ser expressa em termos de “concentração” das 
diversas propriedades da substância, tal como no caso da água líquida em temperatura 
baixa, quando em contato íntimo com água em temperatura alta, haverá transferência 
de uma quantidade de energia até que a condição de equilíbrio seja atingida. 
 
Operação Contínua e em Batelada 
 
Na indústria de alimentos encontra-se tanto o processamento sendo realizado 
em operação contínua como em batelada. Há situações em que a operação é contínua, 
tal como na fabricação de leite em pó: concentração do leite em evaporadores e 
desidratação por atomização. A indústria trabalha em operação contínua por um 
período de 21 horas, com uma parada de 3 horas para limpeza fechada (CIP) dos 
equipamentos. 
 
Por outro lado, a fabricação de doce de leite em pasta e doces de fruta, por 
exemplo, são fabricados em tachos abertos operando em batelada. Isto envolve 
colocar uma certa quantidade de matéria-prima e ingredientes no tacho, fabricar o 
produto, descarregar, lavar e sanitizar o equipamento, e recomeçar novamente a 
operação. 
 
A escala de produção na indústria de alimentos é que determina, em muitos 
casos, se o processo de fabricação será em operação contínua ou em batelada. Em 
outras situações a operação será em batelada devido a existência de uma etapa de 
processamento que não permitirá a operação contínua. Neste caso pode-se citar a 
fabricação de iogurte tradicional, visto que a fermentação do leite em tanques dura 
cerca de 6 horas. 
 
Projeto e Análise de Processos 
 
Uma das funções do engenheiro de alimentos é o projeto e a operação segura 
do processo de fabricação que converterá matéria-prima e ingredientes em produto 
acabado. Produto com qualidade e segurança para o consumidor. Deve-se ter em 
mente que o engenheiro de alimentos deve ser capaz de projetar o processo e 
descrever os procedimentos operacionais padronizados (POP), levando em 
consideração as boas práticas de fabricação (BPF), os procedimentos padrões de 
higiene operacional (PPHO), pré-requisitos para a implantação da análise de perigos 
e pontos críticos de controle (APPCC). 
 
O projeto do processo envolve a seleção das etapas apropriadas do processo de 
fabricação, bem como a especificação dos equipamentos e a seleção dos mesmos 
junto a fornecedores. Na [Figura 2] é mostrado o processo de fabricação de iogurte 
pelo método tradicional. O leite cru é pré-aquecido em um trocador de placa, seguindo 
então para o fermentador onde é misturado com açúcar, e quando necessário também 
é adicionado o leite em pó. 
 
Tanque de
Equilíbrio
Bomba
Válvula
Homogeneizador
Válvula
Centrífuga
Creme
Tanque de
Água Gelada
Preparo
Água Quente
Válvula
Redutora de Pressão
 
Válvula de
Controle
Vapor
Painel de
controle
Silo de
Leite Cru
Envasadora
Caixas
Bomba
Ar
Comprimido
Sensor
Diagrama de
Fabricação de Iogurte
Manômetro
Reposição de água
Dreno de
Excesso
FermentadorÁgua Fria
 
 
Figura 2 - Processo de fabricação de iogurte. 
 
No fermentador a mistura é aquecida até atingir 83 oC, e mantida a esta 
temperatura por um período de 30 minutos sob agitação. Este é um tipo de tratamento 
térmico do leite. Em seguida a mistura é resfriada até 43 oC, quando adiciona-se a 
cultura de microrganismos que promoverá a fermentação. A fermentação dura de 3 a 
6 horas. Portanto, o processo é realizado em batelada. 
 
Após a fermentação a coalhada é quebrada com o dispositivo agitador. O 
iogurte natural é bombeado através de um trocador de placas para resfriamento com 
água gelada. Após o trocador de placas o iogurte resfriado a 4 oC é depositado em um 
tanque com dispositivo agitador. 
 
Para a adição de polpa de fruta, aromas, aditivos e outras substâncias, o 
iogurte é forçado a escoar em circuito fechado. Com o auxílio de um funil as 
substâncias citadas são adicionadas ao iogurte em escoamento. No tanque o produto e 
as substâncias são misturados. 
 
Ao projetar o processo de fabricação do iogurte o engenheiro teve que 
especificar uma etapa de pré-aquecimento do leite para minimizar o tempo de 
aquecimento no fermentador (aspecto econômico), bem como as condições de 
temperatura e tempo para efetuar a pasteurização no fermentador (aspecto técnico). 
As ferramentas para relativas a esses aspectos são obtidas em cursos específicos 
 
Para projetar o sistema de movimentação de fluidos(tubulações e bombas) o 
engenheiro lançará mão de ferramentas obtidas no curso de mecânica dos fluidos. Por 
outro lado, para projetar os trocadores de calor de placa, bem como o trocador de 
calor acoplado às paredes do fermentador, os conhecimentos do curso de transferência 
de calor serão essenciais. 
 
De forma similar, os conhecimentos de microbiologia aplicada às 
fermentações de produtos lácteos, juntamente com o projeto de reatores, permitirá o 
dimensionamento do reator (fermentador). 
 
Pode-se perceber que a atividade de projetar envolve diferentes atividades. 
Para analisarmos o processo de fabricação do iogurte, construímos um diagrama de 
blocos do processo [Figura 3], e procuramos responder a questões tais como a vazão 
volumétrica de escoamento e temperaturas de fluidos envolvidos, e também o tempo 
de residência dos fluidos e produtos nos equipamentos de processos. 
 
Projeto e análise são atividades acopladas. Durante o projeto do processo o 
engenheiro necessitará de analisar o processo (vazões, temperatura, tempo de 
residência, etc.) antes de projetar a próxima etapa do processo. 
 
Infelizmente, ao tomar o curso de Operações Unitárias o Engenheiro de 
Alimentos ainda não está preparado para projetar o processo de fabricação. As 
disciplinas de processamento de alimentos fornecerão mais ferramentas necessárias, 
além daquelas obtidas em fenômenos de transporte. 
 
Silo de
Leite Cru
TCP
1
Centrífuga
Padronizadora
TCP
2
Tanque
m1 = 1500 kg
T1 = 4 
oC
Cp1 = 0,93 kcal/kg.
oC
X
g1
 = 0,041
m4 = 1500 kg
T4 = 63 
oC
Cp4 = 0,93 kcal/kg.
oC
m2 = ?
T2 = 95 
oC
Cp2 = 1,0 kcal/kg.
oC
m3 = ?
T3 = 85 
oC
Cp3 = 1,0 kcal/kg.
oC
Água Quente
Creme
m5 = ? kg/h
T5 = 63 
oC
Cp5 = 0,85 kcal/kg.
oC
X
g5
 = 0,50
m6 = ? kg
T6 = 63 
oC
Cp6 = 0,95 kcal/kg.
oC
X
g6
 = 0,03
Fermentador
m9 = 18 kg/100 kg
T9 = 25 
oC
Cp9 = 0,40 kcal/kg.
oC
X
s9
 = 1,0
Água Quente
Açúcar
Água Quente
m7 = ?
T7 = 95 
oC
Cp7 = 1,0 kcal/kg.
oC
m8 = ?
T8 = 85 
oC
Cp8= 1,0 kcal/kg.
oC
m10 = ?
T10 = 25 
oC
Cp10 = 1,0 kcal/kg.
oC
Água Fria
m11 = ?
T11 = 35 
oC
Cp11 = 1,0 kcal/kg.
oC
m12 = ? kg
T12 = 43 
oC
Cp12 = 0,95 kcal/kg.
oC
Água Gelada Água Gelada
m13 = ?
T13 = 2 
oC
Cp13 = 1,0 kcal/kg.
oC
m14 = ?
T14 = 7 
oC
Cp14 = 1,0 kcal/kg.
oC
m16 = ?
T16 = 2 
oC
Cp16 = 1,0 kcal/kg.
oC
Água QuenteÁgua Fria
Polpa
m15 = ?
T15 = 4 
oC
Cp15 = 1,0 kcal/kg.
oC
 
 
Figura 3 – Diagrama de blocos do processo de fabricação de iogurte. 
 
 
Dessa forma, no curso de operações Unitárias nos limitaremos a analisar 
diagramas de blocos de processos de fabricação já prontos. 
 
Junto ao diagrama de blocos prontos há uma série de informações sobre o 
processo. Com essas informações é possível aprender a aplicação dos balanços de 
massa e de energia para calcular as vazões de escoamento e temperatura das correntes 
de escoamento. 
 
Integração de Operações Unitárias 
 
 Tratando as operações unitárias como etapas independentes os engenheiros 
químicos, e mais recentemente os engenheiros de alimentos, promoveram o 
desenvolvimento da indústria química e da indústria de alimentos. Quando o processo 
de manufatura e ou fabricação é complexo, o engenheiro pode ser levado a considerar 
o processo de forma global. De certa forma, os processos de fabricação na indústria de 
alimentos são menos complexos comparados com aqueles utilizados pela indústria 
química. 
 
A inter-relação de operações unitárias em um processo de fabricação faz o 
engenheiro apresentar a teoria de uma levando em conta a influência de outras. Por 
exemplo, a transferência de calor em um sistema de escoamento não pode ser 
apresentada, na sua inteireza, sem levar em conta a mecânica dos fluidos. 
 
Integrando-se as operações unitárias que compõem cada uma das etapas de 
fabricação do produto tem-se o processo de fabricação. 
 
 
Análise de Operações Unitárias 
 
 
As operações unitárias podem ser analisadas e agrupadas mediante a adoção 
de um entre três métodos. O primeiro é aquele em que a operação é analisada através 
de um modelo físico simples que reproduz a ação da operação; o segundo é aquele em 
que é analisada pela consideração do equipamento usado na operação; por último 
mediante uma expressão matemática inicial que descreve a ação e é verificada contra 
dados experimentais do processo. O modelo físico é estabelecido por meio do estudo 
cuidadoso do mecanismo físico fundamental.