Pasteurização do Suco de Laranja

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1. Introdução 
Responsável por um terço da produção mundial, o Brasil é o maior exportador de suco de laranja industrializado do mundo devido a fatores como o clima, as condições hidrográficas e solos privilegiados. O processo de obtenção do suco deve ser bastante qualificado, visando a um consumo de energia mínimo. Para isso, existem várias etapas que devem ser seguidas para que o padrão de qualidade, tais como: recebimento do fruto, lavagem, seleção e classificação, extração, acabamento, pasteurização, resfriamento e armazenamento.
Figura 1: Diagrama de blocos do processo de produção do suco de laranja
A pasteurização é um processo que consiste em submeter o filtrado à alta temperatura e, logo em seguida, à baixa temperatura. Essa etapa deve ser realizada de maneira que não altere características como cor, sabor e aspecto do suco. Com essa rápida variação de temperatura é possível matar os seres microbióticos existentes nos alimentos, aumentando a vida útil do suco e garantindo a segurança do consumidor. Na indústria, será analisada a acidez obtida depois desse processo, visto que a temperatura tem ligação direta com o pH. Existem vários tipos de pasteurização, sendo a realizada em trocadores de calor a placas a abordada neste trabalho. 
No trocador de calor a placas, os fluidos escoam por estreitos canais e trocam calor através de finas chapas metálicas. São trocadores com bastante eficiência térmica, mas só podem ser operados em faixas de pressão e temperatura limitadas: até 1,5MPa e 150°C. Para a indústria alimentícia, são trocadores adequados por serem fáceis de higienizar, já que as placas são removíveis. Além disso, podem ser facilmente redimensionados. Outra vantagem é a fácil identificação de vazamentos. Não é o trocador indicado para processos que envolvem fluidos de alta viscosidade, devido à alta perda de carga que ocorre no trocador.
Figura 2: Trocador de calor a placas e sua distribuição de fluxo.
O objetivo deste trabalho é simular a pasteurização do suco de laranja no simulador Aspen HYSYS, analisar as propriedades termodinâmicas calculadas pelo software e comparar com valores encontrados na literatura, verificando assim a eficiência do simulador para esse determinado processo.
2. Metodologia
O suco de laranja é uma mistura complexa de substâncias, como é mostrado na Tabela 1 a seguir. Para os cálculos feitos utilizando dados e equações da literatura [3], a primeira simplificação da composição do suco foi feita: os componentes foram divididos em grupos, englobando carboidratos, gorduras, fibras, proteínas, água e cinzas. Por cinzas, entende-se materiais inorgânicos presentes no suco (os minerais). As equações utilizadas, que são funções da temperatura para a capacidade calorífica e para a densidade do suco, são listadas na Tabela 2 e na Tabela 3, respectivamente.
Sendo que as temperaturas que serão substituídas nessas expressões precisam estar em °C.
As quantidades de cada um desses componentes no suco foram representadas por suas frações mássicas, que foram utilizadas no cálculo da equação resultante para a capacidade calorífica do suco de laranja fazendo uma soma ponderada pelas frações mássicas das capacidades caloríficas de cada componente.
As frações mássicas dos componentes do suco estão expostas na Tabela 4.
 
	
Já para o cálculo da densidade do suco de laranja, na unidade de kg/m³, em determinada temperatura, utiliza-se a fórmula
Sendo a porosidade, que é requerida para modelar a densidade de alimentos granulares. Esse não é o caso do suco de laranja, portanto, .
	Para analisar as trocas de calor entre os fluidos durante a passagem pelo trocador de calor, a entalpia foi calculada, possibilitando um cálculo da taxa de calor transferido. Como todo o processo é realizado a pressão constante, a capacidade calorífica é definida como . Considerando um sistema fechado, a entalpia específica é calculada por:
E, em um processo mecanicamente reversível, o calor cedido ou absorvido é escrito da forma:
De maneira análoga, pode-se obter a taxa de transferência de calor (kJ/h), fazendo o produto:
Sendo ṁ a vazão mássica do fluido, mantida sempre constante nesse processo.
	Utilizando o Microsoft Excel, as capacidades caloríficas, densidades e taxas de calor transferido entre os fluidos foram calculados para as temperaturas das correntes da simulação.
Para ser possível fazer a simulação do processo no HYSYS, outra simplificação se fez necessária, uma vez que não foram encontradas informações como fórmula molecular, massa molar, densidade, temperatura normal de bolha, dentre outras características dos grupos de componentes do suco, não sendo possível introduzi-los no banco de dados do simulador. Assim, todo o processo foi feito considerando o suco de laranja como uma solução de água (xágua = 0,8230) e ácido ascórbico (xAA = 0,1770). O pacote termodinâmico utilizado foi o UNIQUAC e os cálculos foram realizados considerando a pressão de 1 atm para todas as correntes e uma temperatura inicial de 6,00°C do suco de laranja.
3. Resultados e Discussão
Realizando os cálculos com as informações obtidas na literatura, a expressão encontrada para a capacidade calorífica do suco de laranja foi:
Fazendo a integração da expressão da capacidade calorífica, obtém-se uma expressão para a entalpia do suco:
Para a água, essas expressões são:
A simulação, com os dois trocadores de calor, as correntes de água de aquecimento e resfriamento e as correntes de suco, com as respectivas temperaturas e vazões, é mostrada na figura a seguir.
Figura 3: Simulação da pasteurização do suco de laranja simplificado.
 
	Analisando primeiramente o aquecedor, tem-se uma temperatura calculada pelo simulador de 72,79°C para o suco de laranja que sai do trocador quando as temperaturas e vazões das outras três correntes são determinadas. O simulador também calcula as propriedades termodinâmicas expostas a seguir.
Figura 4: Propriedades termodinâmicas calculadas pelo HYSYS no aquecedor.
	
	Comparando a densidade mássica fornecida pelo HYSYS e a calculada com as expressões da literatura:
Quadro 1: Comparativo entre as densidades fornecidas pelo HYSYS e as calculadas.
	
	Também foi possível calcular a capacidade calorífica mássica, também chamada calor específico.
Quadro 2: Comparativo entre os calores específicos fornecidos pelo HYSYS e os calculados.
	
	Como pode ser observado, os erros ao simplificar o suco de laranja como sendo uma solução de água e ácido ascórbico são bem pequenos, sendo uma boa aproximação quando se trata da densidade e do calor específico.
	A mesma análise foi feita no resfriador:
Figura 5: Propriedades termodinâmicas calculadas pelo HYSYS no resfriador.
Quadro 3: Comparativo entre as densidades fornecidas pelo HYSYS e as calculadas.
Quadro 4: Comparativo entre os calores específicos fornecidos pelo HYSYS e os calculados.
	Novamente, percebe-se que a simplificação do suco de laranja no HYSYS pode ser útil para prever essas propriedades. É óbvio que se a composição do suco de laranja estivesse mais detalhada no simulador, os resultados seriam muito mais satisfatórios.
	Para analisar a taxa de transferência de calor entre os fluidos, as entalpias para cada variação de temperatura foram calculadas e multiplicadas pela vazão mássica das correntes.
	Para o aquecedor, os resultados possuem sentido físico: a água cede mais calor por hora do que o suco absorve, havendo uma perda de calor. Essa situação é a esperada. O mesmo não é observado no resfriador: o suco cede menos calor que a água absorve. Isso pode se dever ao fato de que a simplificação do suco foi bastante grosseira no simulador, podendo ter fornecido valores de temperatura que não condizem em nada com a realidade do processo, o que pode ter levado à inconsistência física.
4. Conclusões
Para determinar a densidade do suco de laranja e a capacidade calorífica, a simplificação feita para a utilização do HYSYS pode ser satisfatória, já que os erros nos valores dessas propriedades foram pequenos. O mesmo nãopode ser afirmado para as taxas de calor trocados, uma vez que ocorreu até mesmo uma situação que não tem sentido físico.
5. Referências
[1] ALMEIDA, Melina Maynara Carvalho de. Suco concentrado de laranja e seus subprodutos. Engenharia de alimentos – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campo Mourão. Disponível em: <http://www.gerec.ct.utfpr.edu.br/estagioemprego/relatoriofinal/1027514_631.pdf>. Acesso em: 14 jun. 2015
[2] ASHRAE Handbook – Thermal Properties of Foods.
[3] Brian A. Fricke, Bryan R. Becker. Evaluation of Thermophysical Property Models for Foods. HVAC&R RESEARCH.
[4] Han B. Kim, Carmen C. Tadini, Rakesh K. Singh. Heat transfer in a plate exchanger during pasteurization of orange juice. Elsevier- Journal of Food Engineering 42, 79-84 (1999).
[5] SMITH, J. M.; VAN NESS, H. C.; ABBOTT, M. M. Introdução à termodinâmica da engenharia química. Tradução de Eduardo Mach Queiroz, Fernando Luiz Pellegrini Pessoa. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007.
[6] KAKAÇ, S.; LIU, H. Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design. CRC Press, 1998.
[7] PINTO, J.M.; GUT, J.A.W. A Screening Method for the Optimal Selection of Plate Heat Exchanger Configurations. Brazilian Journal of Chemical Engineering, v.19, n.4, p.433-439, 2002.
[8] GUT. Jorge A. W, PINTO. José M. Conhecendo os Trocadores
de Calor a Placas. Disponível em: <http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm>. Acesso em: 16 jun. 2015.
x
água
x
proteínas
x
gorduras
x
carboidratos
x
fibras
x
cinzas
0,8230,0130,0030,110,0450,006
Tabela 4: Frações mássicas dos componentes do suco de laranja
Fonte: Choi and Okos (1986) [2]
DensidadeDensidade - HYSYSErro (%)
1059 kg/m³1117 kg/m³5,48%
DensidadeDensidade - HYSYSErro (%)
1039 kg/m³1060 kg/m³2,02%
T = 6,00°C
T = 72,79°C
Calor específicoCalor específico - HYSYSErro (%)
 3,69 kJ/kg.°C3,73 kJ/kg.°C1,08%
Calor específicoCalor específico - HYSYSErro (%)
 3,73 kJ/kg.°C3,82 kJ/kg.°C2,41%
T = 6,00°C
T = 72,79°C
DensidadeDensidade - HYSYSErro (%)
1039 kg/m³1060 kg/m³2,02%
DensidadeDensidade - HYSYSErro (%)
1058 kg/m³1109 kg/m³4,82%
T = 72,79°C
T = 15,61°C
Calor específicoCalor específico - HYSYSErro (%)
 3,73 kJ/kg.°C3,82 kJ/kg.°C2,41%
Calor específicoCalor específico - HYSYSErro (%)
 3,695 kJ/kg.°C3,796 kJ/kg.°C2,73%
T = 15,61°C
T = 72,79°C
ΔH (kJ/kg)Potência (kJ/h)Calor perdido (kJ/h)
Água-4,16E+01-2,91E+05
Suco2,48E+022,85E+05
-6,14E+03
Trocas de calor no aquecedor
ΔH (kJ/kg)Potência (kJ/h)Calor perdido (kJ/h)
Água5,37E+012,47E+05
Suco-2,12E+02-2,44E+05
Trocas de calor no resfriador
2,60E+03
Água (0°C a 150°C)
Proteínas (-40ºC a 150ºC)
Gorduras (-40ºC a 150ºC)
Carboidratos (-40ºC a 150ºC)
Fibras (-40ºC a 150ºC)
Cinzas (-40ºC a 150ºC)
Fonte: Choi and Okos (1986) [2]
Tabela 2: Calor específico dos componentes do suco em função da temperatura (kJ/kg.K)
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Água (0°C a 150°C)
Proteínas (-40ºC a 150ºC)
Gorduras (-40ºC a 150ºC)
Carboidratos (-40ºC a 150ºC)
Fibras (-40ºC a 150ºC)
Cinzas (-40ºC a 150ºC)
Tabela 3: Densidade dos componentes do suco em função da temperatura (kg/m³)
Fonte: Choi and Okos (1986) [2]
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