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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
A Engenharia Mecânica na Indústria Alimentar
O papel do Engenheiro Mecânico na conservação
alimentar
Projeto FEUP 2015-2016 -- Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica:
Equipa 1M05_02:
Supervisor: Teresa Duarte Monitor: João Santos
Estudantes & Autores:
Daniel Moleiro [email protected]
José Vila-Chã [email protected]
Nuno Alexandre [email protected]
Pedro Ferreira [email protected]
Rui Carvalho [email protected]
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação
alimentar 1
Resumo
Este relatório surgiu no âmbito da unidade curricular projeto FEUP. Tem como
tema a “A Engenharia Mecânica na Indústria Alimentar” e como subtema “O papel do
Engenheiro Mecânico na conservação alimentar”. Visou-se capturar uma perspetiva
alargada do tema, conferindo especial importância à contribuição da Engenharia
Mecânica.
Como tal, pretendeu-se criar um contraste entre os métodos atuais de
conservação e aqueles empregados em épocas passadas. Assim, inicia-se o trabalho
com uma perspetiva histórica deste tema. Neste olhar sobre a história da preservação
alimentar, pretendeu-se enfatizar os métodos mais comuns através dos tempos, desde
o Paleolítico à Idade Média. Naturalmente, compreender-se-á que a pouca eficácia
destas estratégias e a grande importância de uma fonte contínua de alimento para as
grandes urbes exigiram à Engenharia Mecânica um grande contributo para esta área
do conhecimento.
Neste sentido, desenvolveram-se, a partir do séc. XVIII, métodos físicos e
químicos de eficácia crescente capazes de assegurar a qualidade dos alimentos por
mais tempo. Dado que o tema do trabalho é relativo ao engenheiro mecânico, o outro
ponto privilegiado são os sistemas desenvolvidos pelo Engenheiro Mecânico, o seu
funcionamento e materiais utilizados, ponto fulcral para a eficácia da conservação
alimentar na atualidade. É dada especial atenção aos métodos da pasteurização, da
conservação em atmosfera inerte e da refrigeração, com uma posterior secção
referente a métodos inovadores.
Palavras-Chave
Engenharia Mecânica;
Conservação;
Termodinâmica;
Refrigeração;
Pasteurização;
Congelamento;
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação
alimentar 2
Agradecimentos
De modo a obter o melhor desempenho possível na unidade curricular “Projeto
Feup”, foi necessária a colaboração de várias entidades externas à equipa. Deste
modo, gostaríamos de deixar um especial agradecimento às várias personalidades
que contribuíram para a realização deste trabalho.
Em primeiro lugar, gostaríamos de dar uma palavra de apreço à professora
Teresa Duarte, que nos acudiu em todos os momentos do trabalho, deste a sua
idealização à sua realização, contribuindo sempre com o seu parecer e
disponibilidade.
Por último, mas não obstante, gostaríamos de agradecer ao nosso monitor, João
Santos, que reuniu todo o seu conhecimento e experiência, enquanto aluno desta
faculdade, para nos ajudar a desenvolver e executar o trabalho da melhor forma
possível.
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 1
Índice Introdução ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
O Papel do Engenheiro -------------------------------------------------------------------------------- 1
Preservação Alimentar --------------------------------------------------------------------------------- 2
Fatores a considerar --------------------------------------------------------------------------------- 2
Métodos de Conservação -------------------------------------------------------------------------- 3
Perspetiva Histórica --------------------------------------------------------------------------------------- 5
Secagem -------------------------------------------------------------------------------------------------- 5
Refrigeração Rudimentar ------------------------------------------------------------------------------ 5
Defumação------------------------------------------------------------------------------------------------ 6
Imersão em Gordura ----------------------------------------------------------------------------------- 6
Salga ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6
Atualidade ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 8
Refrigeração e Congelamento ----------------------------------------------------------------------- 8
Tipos de Sistemas de Refrigeração Gerais ---------------------------------------------------- 9
Sistemas de Refrigeração Alimentares ------------------------------------------------------- 11
Sistemas de Congelamento Alimentar -------------------------------------------------------- 13
Pasteurização ------------------------------------------------------------------------------------------ 14
Equipamento de pasteurização ----------------------------------------------------------------- 15
Pasteurização de alimentos não embalados ------------------------------------------------ 15
Pasteurização de alimentos embalados ------------------------------------------------------ 16
Atmosfera modificada -------------------------------------------------------------------------------- 17
Depósitos de atmosfera modificada e controlada ------------------------------------------ 17
Absorvedores e Geradores de gases --------------------------------------------------------- 18
Inovação na preservação alimentar ----------------------------------------------------------------- 20
Utilização de pulsos elétricos----------------------------------------------------------------------- 20
Utilização de radiação Ultravioleta ---------------------------------------------------------------- 20
Utilização da nanotecnologia ----------------------------------------------------------------------- 21
Utilização da radiação nuclear --------------------------------------------------------------------- 21
Conclusões ------------------------------------------------------------------------------------------------ 22
Referências bibliográficas ------------------------------------------------------------------------------ 23
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 1
Introdução
Nesta introdução estabelecer-se-á a relação entre a Conservação Alimentar e o papel
do engenheiro mecânico na área.
O Papel do Engenheiro
O que se entende por Engenharia? E por Engenharia Mecânica?
“Conjunto de técnicas e métodos para aplicar o conhecimento técnico e científico na
planificação, criação e manutenção de estruturas, máquinas e sistemas para benefício do
ser humano”, é a primeira acessão presente no verbete do Dicionário Priberam sobre a
palavra “Engenharia”.
Neste sentido, a Engenharia Mecânica consiste na conceção e execução de sistemas
que tem por base princípios mecânicos e termodinâmicos na sua essência, no entanto,
dada a abrangia desta Engenharia podem incluir ainda outras disciplinas. Sistemas estes
capazes de desempenhar uma determinada tarefa, por vezes num âmbito muito restrito, e
com um conjunto de caraterísticas bem especificadas. No caso deste relatório os sistemas
responsáveis pela conservação alimentar são o ponto central, no entanto a Engenharia
Mecânica também contribui para diversas outras áreas como a Mecânica Automóvel ou até
a Medicina.
Neste caso em particular, O Engenheiro Mecânico faz parte de uma equipa. Tem uma
visão holística do processo, porém, cabe-lhe apenas parte do projeto a desenvolver. Ficam
para lá das suas funções determinar quais são as condições específicas necessárias à
preservação alimentar ou como as diferentes condições ambientais alteram as propriedades
do alimento, sendo que este tipo de informação lhe é facultado pelos profissionais capazes
de formular tais considerações, como o bioquímico ou o Engenheiro Alimentar.
O papel do Engenheiro Mecânico consiste em informar-se sobre quais são as
condições especificadas para a conservação ótima do alimento em questão, em que
condições operará o sistema e qual o custo estimado do projeto. A partir deste ponto o
Engenheiro Mecânico foca-se em desenvolver um sistema capaz de criar e manter as
condições especificadas num ambiente designado, como por exemplo, fazer a manutenção
de uma temperatura inferior a 5 °C durante o transporte de vegetais.
Na conceção dos sistemas, existem dois fatores, entre alguns outros, que são tomados
em conta pelo Engenheiro, o próprio funcionamento do sistema a projetar e os materiais a
escolher para criar as peças da maquinaria.
Assim, o relatório focar-se-á nas soluções encontradas pelo Engenheiro e nas opções
tomadas para as encontrar à luz dos dois pontos mencionados acima, no entanto, não se
pode passar sem uma breve introdução à conservação alimentar em geral, que será feita
em seguida.
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 2
Preservação Alimentar
Alimentos são materiais, crus, processados ou sintetizados, que são consumidos
oralmente por humanos ou animais para crescimento, saúde, prazer, e satisfação de
necessidades sociais. [1]
O alimento é uma necessidade fundamental de qualquer ser vivo, sendo que a sua
capacidade de alimentar deriva diretamente das suas propriedades físicas e químicas.
Todavia, estas propriedades responsáveis por tornar algo comestível apenas se verificam
numa janela temporal, que sem intervenção, é em geral curta. Esta é a motivação no cerne
da conservação alimentar, reunindo-se a esta ainda, a necessidade de ultrapassar o
planeamento agrícola inadequado, a obtenção de produtos com valor acrescentado e a
disponibilidade de uma dieta variada para a população. [1]
Deste modo, a conservação alimentar envolve a ação tomada no sentido de preservar
as qualidades desejadas na comida [1]. É um esforço que continua desde dos primórdios da
humanidade, desde então a sua trajetória tem progredido de uma arte baseada em
conhecimento empírico, removido de qualquer compreensão teórica dos fenómenos físicos,
químicos ou biológicos, até uma ciência em constante inovação, apoiada em diversas áreas
científicas altamente especializadas, entre elas a Engenharia Mecânica. [1]
Fatores a considerar
Na conservação alimentar, os métodos de conservação empregados têm em conta
cinco fatores determinantes, sendo que cada produto ocupa um lugar diferente no espectro
produzido. São eles:
● O nível de qualidade desejado
● O grupo para os quais os produtos são conservados
● Custo económico
● Custo ambiental
● A duração da preservação [1]
O Engenheiro Mecânico, terá que trabalhar em função destes fatores, todavia, na sua
maior parte, de forma indireta. Não lhe cabe decidir sobre o nível de qualidade desejado ou
sobre a duração da preservação, mas sim assegurar que o sistema projetado cria as
condições necessárias para preservar o alimento durante o tempo necessário com a
qualidade requerida, diretrizes designadas por outrem dentro da equipa de projeto, como
bioquímicos, gestores, engenheiros químicos, entre outros.
Salvaguarda-se aqui o custo ambiental, em que as escolhas do Engenheiro podem ter
influência no impacte ambiental que o sistema de conservação produz. Dado que os
processos utilizados na solução desenhada pelo engenheiro podem ser nefastos para o
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 3
ambiente, impõem-se considerações de caráter ético a que o Engenheiro deve responder
de forma assertiva.
O caso da utilização CFC’s e de outros compostos usados na área da refrigeração
responsáveis pela destruição da camada de ozono são um exemplo do acima referido. [2]
Métodos de Conservação
Baseando-se no seu modo de atuação, as técnicas de conservação podem ser
organizadas em três categorias:
Inibição
Inativação
Prevenir a recontaminação
Convém referir que maior parte dos alimentos não se cinge apenas a um destes tipos
de preservação, pelo que, na verdade, poderá existir um efeito sinérgico, sendo um produto
embalado e congelado um bom exemplo desta situação. [1]
Figura 1 - (Morelli Nutrição. 2010.” Refrigeração num Supermercado – Inibição”. Método de Conservação de Alimentos – Morelli Nutrição. Acedido a 25 de outubro de 2015. http://morellinutricao.com.br/ler.php?pagina=6&artigo=34)
Figura 2 - (Muncie Voice. 2013.” Pasteurização – Inativação”. Milk & Dairy – Pasteurization, Part 3. Acedido a 25 de outubro de 2015. http://www.muncievoice.com/6862/milk-dairy-pasteurization/)
Figura 3 - (Vacuum Pouches. 2013.” Embalagens a vácuo – Prevenção da recontaminação”. Vacuum Pouches- Vacuum Packaging, Poly Nylon Bags, Food Packaging. Acedido a 25 de outubro de 2015. http://www.hlpaper.com.cn/Vacuum-Pouches.htm
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 4
Figura 3 - (Rahman MS. 2007. “Métodos de Conservação de Alimentos”. Handbook of food preservation. 355. CRC press)
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 5
Perspetiva Histórica
Porquê conservar alimentos?
Há cerca de 2,5 milhões de anos, durante o Paleolítico, o ser humano caçava e colhia
alimentos para satisfazer a fome imediata. Como caçador/recolector observava uma grande
variação na disponibilidade dos alimentos, sendo que o estilo de vida nômada era
obrigatório para a sua sobrevivência. Assim, buscava regiões onde a caça era abundante.
[3]
Até à revolução do Neolítico os utensílios e as armas disponíveis eram primitivos,
produzidos em pedra lascada, fazendo da caça uma atividade difícil. Todo o alimento era
consumido cru de uma forma rudimentar, sendo os frutos, raízes, peixes e insetos o grosso
de uma dieta primitiva.
Condicionado pela falta de recursos materiais, a necessidade de preservar alimentos
era imperativa no quotidiano do homem/caçador, pelo que foram desenvolvidos métodos
empíricos de preservação alimentar, muitos deles encontrando os seus sucessores na
atualidade.
Secagem
Um método utilizado para a conservação
de produtos era a secagem dos alimentos,
através da exposição ao sol e ao vento.
Achados arqueológicos mostram que no
Médio Oriente e noutras zonas orientais a
prática de secar alimentos data de tão cedo
como 12000 a.C. [3]
Este método consiste na retirada de
parte presentes nos alimentos precisam de
água para as suas funções vitais. Ao retirar
a água, é possível diminuir
consideravelmente as ações microbiológicas
presentes no alimento.
[4]
Refrigeração Rudimentar
O homem primitivo procurava apenas recolher o alimento, conservando-o na parte fria
da caverna, onde as baixas temperaturas, na ordem dos 0ºC e os 7ºC, permitiam retardar
ou inibir reações químicas e biológicas, cujo resultado seria a deteriorarão natural do
alimento. Praticavam uma versão rudimentar de refrigeração, sendo que a tecnologia
Figura 4 - (olhar d’ouro. 2012.” Secagem de peixe na praia”. OLHAR d' OURO: Nazaré - Portugal ***Seca do peixe no areal***. Acedido a 20 de outubro de 2015. http://lamegoimage.blogspot.pt/2012/10/nazare-portugal-seca-do-peixe-no-areal.html)
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 6
disponível não permitia o congelamento, exceto em regiões muito frias, onde as condições
naturais o possibilitavam. [3]
Defumação
Com o aparecimento do
fogo, a conservação dos
alimentos passou a ser mais
eficiente. O tratamento da carne
com o fogo era visto como uma
forma do ser humano assustar
os animais em procura de
alimento, todavia, constatou-se
que o alimento passou a
demorar mais tempo para se
deteriorar. [4]
Consiste em expor a carne,
ou derivados de carne, ao fumo produzida pela combustão da madeira. Neste processo
ocorre a secagem, e também reações antimicrobianas da carne com compostos do fumo, o
que lhe confere o aroma e a cor caramelizada característica dos fumados. [3]
Imersão em Gordura
O povo indígena da Amazónia, devido à falta de recursos conservavam os seus
alimentos de uma forma caricata: mergulhando os alimentos em “banhos de gordura”.
Este método consiste em deixar o alimento isolado do ar e da água impedindo a ação
de microrganismos responsáveis pelo apodrecimento dos alimentos. Além disso, a
cobertura de frutas com estes materiais altera seu processo respiratório, retardando o
amadurecimento e permitindo a conservação por períodos de tempos maiores. [3]
Salga
Mais tarde, com o desenvolvimento do
comércio, surge novo problema para a
conservação alimentar, pois agora era
necessário armazenar alimentos de forma mais
eficaz, durante as longas viagens. Foi neste
contexto que se desenvolveu a salga.
É um método que consiste na adição de
cloreto de sódio ao alimento, que por osmose
Figura 5 - (imgbuddy. 2003.” Defumação Artesanal”. Imgs For > Native American Food Meat. Acedido a 25 de outubro de 2015. http://imgbuddy.com/native-american-food-meat.asp)
Figura 6 - (Beyond the Shaker. 2000.” Salga Artesanal”. Salt Guide - History. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://beyondtheshaker.com/pages/Salt-Guide-History.html)
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 7
retira água do produto, impedindo o crescimento de microrganismos. [4]
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 8
Atualidade
Os métodos rudimentares de preservação alimentar permaneceram por desafiar até à
invenção do processo de enlatar no séc. XXVIII, o que marcou um novo capítulo para a
conservação alimentar. [4]
Decorridos três séculos, pode-se observar uma grande evolução nos métodos de
preservação alimentar. Ainda se utiliza a salga, a secagem, a defumagem e a refrigeração,
todavia, desenvolveu-se uma compreensão teórica capaz de explicar o seu funcionamento
e criaram-se sistemas eficazes para a sua aplicação. Ao mesmo tempo, conceberam-se
outros métodos baseados nesta nova compreensão da conservação alimentar, como a
pasteurização.
O Engenheiro Mecânico constituiu um pilar fundamental capaz de garantir esta
revolução na conservação alimentar, como se poderá observar nos seguintes exemplos.
Refrigeração e Congelamento
A refrigeração e o congelamento são processos melhor descritos pela termodinâmica,
em que através da transferência de energia de um corpo mais quente para outro mais frio,
há uma diminuição na temperatura do primeiro.
Temperaturas mais altas na refrigeração, entre os 1 e 4 °C, e no congelamento entre os
18 e 35 °C negativos [1], potenciam o abrandamento dos processos físico-químicos e
bioquímicos que levam à deterioração da comida, à perda de qualidade e do valor
nutricional, sem, no entanto, os parar. Todavia para lá dos 18 °C negativos o
desenvolvimento microbial para completamente [1]. Encaixa, assim, nos métodos que
atuam por inibição, não permitindo o normal desenvolvimento microbial.
Durante a refrigeração ou congelamento, o calor é removido da comida através de
mecanismos de convecção, radiação, condução ou evaporação.
h: coeficiente transferência de calor média para combinação de convecção, radiação e evaporação,
(W.m-2
.ºC-1
)
As: área superficial (m2)
ΔT: variação entre a temperatura ambiente e a temperatura superficial
A preocupação do Engenheiro Mecânico prende-se com escolher os componentes do
sistema de refrigeração conforme as necessidades do projeto.
Poderá desenvolver um sistema completamente novo, no entanto, o mais comum é
adaptação dos sistemas que já existem a novas condições. Como tal, a ênfase será nos
sistemas já existentes, assim como nos mais comuns.
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Tipos de Sistemas de Refrigeração Gerais
Geralmente, num sistema de refrigeração, existe sempre um refrigerante que circula
num sistema fechado e que é utilizado para transferir calor. [2]
Inicialmente, o refrigerante absorve calor, visto que a sua temperatura é mais baixa que
a temperatura do objeto a ser arrefecido. Deste modo, a temperatura do refrigerante
aumenta até que é mais alta que a do dissipador de calor, momento em que o refrigerante
baixa de temperatura novamente. [5]
Os tipos de refrigeração mais comuns são:
● Compressão de vapor
● Absorção
● Ar (padrão)
● Jato de vapor
● Termoelétrico
● Termo acústico [2]
Os sistemas mais comuns na indústria
alimentar são os sistemas de compressão de
vapor. Também são utilizados outros tipos de
refrigeração, no entanto, dado que este é o mais
comum apenas o seu funcionamento será
abordado. [2]
Compressão de Vapor
O método de compressão de vapor funciona, utilizando o calor latente de evaporação
de um fluido num sistema fechado para gerar frio. [5]
Os componentes principais são:
Compressor
Condensador
Evaporador
No funcionamento de um destes sistemas
ocorrem quatro processos térmicos principais, que
se encontram numerados na figura 9, são eles:
1. Evaporação
2. Compressão
3. Condensação
Figura 7 - (Dincer. 2000.” Refrigeração - Esquema”. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. John Wiley & Sons, Inc.
Figura 8 - (Haaf e Henrici. 2000.” Sistema de refrigeração de compressão, a) compressor; b) condensador; c) válvula de expansão; d) evaporador; e) motor do compressor”. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 10
4. Expansão
Em (1), no evaporador, o refrigerante é aquecido pelo o objeto a arrefecer, levando-o a
evaporar. Esta mudança de estado consome energia, calor latente, e como tal baixa a
temperatura do objeto a arrefecer. Em (2), no compressor, a pressão do vapor do
refrigerante vindo do evaporador, é elevada até que a temperatura de evaporação e
condensação sejam maiores que a do dissipador de calor., o condensador. Em (3), o vapor
a altas temperaturas e pressões, é condensado, arrefecendo pelo processo inverso ao
utilizado em (1). Por fim, em (4), o líquido recém-condensado vê a sua pressão baixar e
volta ao inicio do ciclo. [2]
Figura 9 - (Dincer. 2000.” (a) Um sistema básico de compressão de vapor, (b) o seu diagrama T–s, e (c) o seu diagrama P–h”. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. John Wiley & Sons, Inc.
Figura 10 - (Dincer. 2000.” Um sistema prático de refrigeração por compressão de vapor com todos dispositivos de controlo”. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. John Wiley & Sons, Inc.
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 11
Um bom refrigerante é também de grande importância, sendo que os critérios de
escolha determinantes são primariamente propriedades de cariz termodinâmico, de
transferência de calor e de comportamento químico e físico, além da compatibilidade com
diferentes tipos de compressor. [2]
Existem diversos tipos de compressor, assim como de condensador e evaporador.
Apresentam-se apenas algumas imagens, visto que uma lista detalhada ficaria para lá do
escopo do trabalho. [2]
Sistemas de Refrigeração Alimentares
Os tipos mais comuns de sistemas refrigeração alimentar são os que atuam por hidro-
refrigeração, por contacto gelado, por fluxo de ar, por fluxo de ar húmido e por refrigeração
a vácuo. Procede-se a uma descrição dos
sistemas de refrigeração alimentar: [2]
Refrigeração por ar forçado ou
pressão húmida:
Faz-se circular ar pelas pilhas de
recipientes numa sala refrigerada. Para alguns
produtos é adicionada água ao ar. Este método
arrefece os produtos a armazenar em cerca de
duas horas, dependendo do embalamento,
sendo que o embalamento tem que permitir a
ventilação do calor para que estes métodos sejam
eficazes. [2]
Figura 11 - (Dincer. 2000.” Compressores”. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. John Wiley & Sons, Inc.
Figura 12 - (Dincer. 2000.” Condensadores a água”. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. John Wiley & Sons, Inc.
Figura 13 - (NCSU BAE. 2000.” Refrigeração por ar forçado”. AG-414-3 Forced Air Cooling - NCSU BAE. Acedido a 21 de outubro de 2015 http://www.bae.ncsu.edu/programs/extension/publicat/postharv/ag-414-3/
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 12
Hidro-refrigeração
Descarga para contentores de produtos alimentares
em massa com uma grande quantidade de água gelada.
Neste método, os vegetais são arrefecidos por contacto
direto com a água fria, sendo que o produto e a
embalagem têm que resistir à ação do fluxo de água,
para que este processo tenha os resultados esperados.
[2]
Contacto Gelado
Injeção de gelo esmagado em cada contentor de
transporte, em contacto direto com o produto, sendo
espalhado sobre as pilhas de embalagens. Este método
permite um arrefecimento eficaz com uma alta taxa de
humidade relativa para produtos e embalagens que
toleram contacto direto com gelo. [2]
Refrigeração por Vácuo
Remoção do calor de produtos
armazenados em contentores de transporte,
criando um vácuo na câmara. A criação
deste vácuo produz a evaporação rápida de
uma pequena quantidade de água, baixando
a temperatura do produto até ao nível
desejado. Neste método é necessário que os
alimentos tenham uma grande área de
superfície, baixa densidade e alto teor de
humidade. [2]
Figura 14 - (NCSU BAE. 2000.” Hidro-refrigeração”. AG-414-4 Hydrocooling - NCSU BAE. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.bae.ncsu.edu/programs/extension/publicat/postharv/ag-414-4/
Figura 16 - (NCSU BAE. 2000.” Refrigeração por vácuo”. AG-414-1 Introduction to Proper Postharvest Cooling and Handling Methods - NCSU BAE. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.bae.ncsu.edu/programs/extension/publicat/postharv/ag-414-1/
Figura 15 - (angelfire. 2002.” Contacto gelado automático para paletes”. Crushed and Liquid Ice cooling. Welcome. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.angelfire.com/ia2/ingenieriaagricola/ice_cooling.htm
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 13
Sistemas de Congelamento Alimentar
Caso o congelador esteja cheio, o custo total da
preservação por congelamento é mais atrativo do que o
de enlatar ou secar. Diferentes tipos de sistemas de
congelamento estão disponíveis mediante o produto a
congelar, satisfazendo as suas necessidades
específicas. [1]
Congelamento por placa
Ou congelamento por contacto com sólido
arrefecido, inclui o produto ser prensado entre placas
metálicas a baixas temperaturas. É adequado apenas
para alimentos com uma forma uniforme, tendo-se
cuidado para não esmagar o produto durante o
processo. [1]
Congelamento por Imersão
Neste método, o alimento é imerso numa
salmoura a baixa temperatura para alcançar
uma descida de temperatura rápida por
transferência de calor direta. Os fluidos são
geralmente soluções salgadas, soluções
açucaradas, alcoólicas, entre outras. [1]
Congelamento por gás arrefecido
Neste método, a temperatura da comida é
reduzida com o fluxo de ar a velocidades
relativamente altas. Velocidade entre os 2,5 e os 5
metros por segundo fornecem o congelamento
mais económico. [1]
Figura 17 - (FAO. 2001.” Refrigerador por placas horizontal”. Some notes on Fish Handling and Processing. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.fao.org/3/a-x5925e/x5927e01.htm
Figura 19 - (FAO. 2001.” Refrigerador por gás arrefecido”. Planning and engineering data 3. Fish freezing - 3. Processes and equipment. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.fao.org/docrep/003/r1076e/R1076E04.htm
Figura 18 - (FAO. 2001.” Refrigerador por imersão”. Planning and engineering data 3. Fish freezing - 3. Processes and equipment. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.fao.org/docrep/003/r1076e/R1076E04.htm
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 14
Pasteurização
A pasteurização é um dos métodos de conservação mais importantes na atualidade.
Grande parte dos alimentos/produtos alimentares que estão disponíveis às populações
foram tratados segundo este método, que pode decorrer numa fase pré-embalagem ou pós-
embalagem em recipientes previamente esterilizados.
É um processo de tratamento por aquecimento moderado, que destrói um grupo (ou
grupos) seleto(s) de microrganismos e inativa enzimas (que poderiam provocar alterações
indesejadas nos produtos embalados), com alterações mínimas nas propriedades dos
alimentos [1] [5]
Podem ser utilizados outros fatores em conjunto com a pasteurização, os quais
estendem a validade dos produtos, ou seja, o período de tempo de preservação, em
condições próprias de consumo, dos produtos. De entre estes fatores que asseguram que
os microrganismos não se desenvolvam durante o período de armazenamento constam o
controlo da quantidade de microrganismos, evitando contaminação inicial e a restrição dos
valores de pH do meio.
Existem duas operações básicas no processo de formação de um alimento
pasteurizado:
Aquecimento do alimento de forma a reduzir o número de microrganismos
patogénicos e deteriorantes, capazes de se desenvolverem nas condições de
armazenamento desejadas;
Selagem em embalagens herméticas de forma a prevenir recontaminação. [5]
Estas duas operações não ocorrem necessariamente por esta ordem, podendo o
alimento ser aquecido após a sua embalagem. A escolha do processo utilizado depende
das características do produto e da embalagem na qual se pretende conservar o produto,
devendo optar-se pelo processo que maximize a qualidade do produto.
Figura 21 - (Tecnosorvete. 2011. “Pasteurização de alimentos não embalados”. Tecnosorvete - Pasteurização de Sorvete - Polo do Leite. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://rede.polodoleite.com.br/photo/tecnosorvete-pasteurizacao-de?context=latest
Figura 20 - (SERRA GELADA. 2001.” Pasteurização de alimentos embalados”. Blog da SERRA GELADA! Dia de pasteurização na fábrica. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://cervejariaserragelada.blogspot.pt/2011/04/dia-de-pasteurizacao-na-fabrica-depois.html
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Equipamento de pasteurização
Dado a especificidade de cada alimento e do seu respetivo recipiente, é, portanto,
essencial a construção de maquinaria, também bastante específica, que seja capaz de
realizar os processos necessários ao tratamento dos alimentos. Na construção destas
máquinas há que ter em conta as características do material de que são constituídas, desde
a resistência termomecânica até ao seu custo, o próprio mecanismo de aquecimento dos
produtos e a sua própria estrutura e peças constituintes. [1]
A Engenharia Mecânica, é assim, de grande valia nesta área alimentar, já que um
Engenheiro Mecânico possui os conhecimentos acerca do comportamento de sólidos e
fluidos, de termodinâmica e de peças de maquinaria assim como o seu processo de
obtenção, sendo capaz de construir máquinas resistentes, pouco dispendiosas e funcionais.
Desta forma, foram até agora construídos diversos equipamentos de pasteurização,
estejam os alimentos já embalados ou não.
Pasteurização de alimentos não
embalados
Alimentos fluidos ainda não embalados podem
ser tratados, sendo colocados em tanques, cuja
estrutura incorpora uma base hemisférica de lados
cilíndricos onde circula vapor ou outro fluído
temperaturas elevadas. Geralmente o tanque
possui um tampo articulado de forma e evitar
perdas de calor e que objetos exteriores caiam
contaminando o alimento. Se o vapor for injetado
diretamente para o interior do tanque, a velocidade
de aquecimento aumenta. Alguns tanques
Figura 22 - (Alibaba. 2011. “Equipamento industrial de pasteurização”. Juice/milk/wine Pasteurization Machine/sterilizer - Buy Milk Pasteurization Machine,Juice Pasteurizing Equipment,Wine Pasteurize Machine Equipment Product on Alibaba.com. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.alibaba.com/product-detail/Juice-milk-wine-pasteurization-machine-sterilizer_549682206.html
Figura 23 - (Servo. 2011. “Tanque de pasteurização (Servolift LLC)”. Pasteurizing Vessels | STVES-BOPAS | SERVOLiFT US Canada Puerto Rico. Acedido a 21 de outubro de 2015.http://www.servo-lift.com/vessels/pasteurizing-vessels
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possuem ainda um agitador para promover o adequado e uniforme aquecimento de
elementos de natureza mais viscosa. [5]
Estes alimentos podem ainda ser tratados em permutadores de calor, sendo
submetidos a temperaturas elevadas durante um curto período de tempo, o que assegura a
boa qualidade dos produtos e um aumento da segurança alimentar e do rendimento do
processo [5]. Vários equipamentos foram desenvolvidos de forma a permitir o aquecimento
adequado alimentos mais viscosos, já que estes irão sempre apresentar mais obstáculos no
seu uniforme aquecimento. De entre estes constam o permutador de calor em placa, o
permutador de calor tubular e o permutador de calor de tubo concêntrico. No entanto, todos
estes permutadores funcionam Segundo o mesmo mecanismo: O alimento e o fluído de
aquecimento falando em estruturas diferentes, mas imediatamente adjacentes, sendo o
sentido em que alimento flui oposto ao sentido em que o fluido de aquecimento flui, o que
promove o aquecimento do alimento
Pasteurização de alimentos embalados
Grande parte das empresas envolvidas em processos de pasteurização utiliza
autoclaves no processamento de alimentos já embalados, o que permite que estes
alimentos sejam tratados simultaneamente, voltando a esterilizar as embalagens. A
autoclavagem permite ainda a extensão da validade dos produtos alimentares. Os alimentos
em embalagens são colocados em cestos, normalmente metálicos. Estando nos cestos, as
embalagens entram em contacto com o meio com que vão realizar as trocas de calor.
Geralmente tem que se alterar a pressão dentro da autoclave, para que as embalagens
mantenham uma sua forma e tamanho, não se alterando no contacto com o meio. As trocas
de calor entre os alimentos e o meio numa autoclave podem se realizar por diversos
Figura 24 - (ChinA-ogpe. “Estrutura real de um permutador de calor”. Plate heat exchangers - China plate heat exchangers. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.china-ogpe.com/showroom/2804/html/product_Plate_heat_exchangers_20_25619.html
Figura 25 - (HRS. “Estrutura real cortada de um permutador de calor de multi-tubo”. HRS MI Series - Corrugated tube heat exchangers - Components - Products - HRS Heat Exchangers. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.hrs-heatexchangers.com/en/products/components/corrugated-tube-heat-exchangers/hrs-mi-series/default.aspx
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processos: imergindo as embalagens em água a elevadas temperaturas, lançando sprays
de água quente sobre as embalagens, ou enchendo de vapor em condensação.
No final do aquecimento, qualquer que
tenha sido o processo utilizado, o fluido de
aquecimento pode ser substituído por um
fluido a baixas temperaturas, o que irá
provocar a diminuição da temperatura do
alimento para aquela a que vai ser conservado
após o processo. [1]
Atmosfera modificada
A conservação de alimentos por atmosfera modificada é uma tecnologia comprovada
para a preservação da qualidade natural dos produtos alimentares com aumento da sua
vida útil de armazenamento.
O sucesso do armazenamento em atmosfera modificada depende da hermeticidade
dos depósitos e dos gases neles contidos. É nesse processo que intervém o engenheiro
mecânico, é com o objetivo de desenvolver os depósitos de forma a que seja possível
controlar os parâmetros principais como a composição gasosa de forma a rentabilizar a vida
útil do produto, assim como no desenvolvimento de máquinas que absorvem e geram os
gases para os tanques de atmosfera modificada. [6]
Depósitos de atmosfera modificada e controlada
Existem diferentes tipos de depósitos para armazenar os alimentos em atmosferas
modificadas. Os aqui apresentados são os GAC3000 e o os GAC5000, que são
desenvolvidos pela Fruit Control Equipments.
Estas máquinas têm por objetivo a deteção, a memorização e impressão dos
parâmetros de conservação. Aqui reside a diferença entre ambas, neste caso a GAC3000 é
capaz de analisar os níveis de CO2 e O2 , a partir de um sistema próprio, estando este
sistema ligado a um PLC ( Controladores Lógicos Programáveis) que permite a análise dos
restantes parâmetros. O GAC5000, por sua vez, é constituído por grupos de análise para
CO2 e O2 e de gestão mediante PLC e um PC para supervisionar. [6]
Sendo a GAC5000 uma evolução da GAC3000, esta tem um sistema de deteção mais
evoluído. Ttodos os parâmetros são detetados pelos sensores que fazem parte da câmara.
Figura 26 - (dfttecnology. “Mecanismos de funcionamento de uma autoclave de spray de água”. Steam Water Spray Retorts | Products | dft technology | STOCK. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.dft-technology.de/en/products/steam-water-spray.html
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A GAC3000 possui uma câmara a infravermelhos para medir a concentração de CO2 e uma
câmara eletroquímica que mede a concentração de O2.
Absorvedores e Geradores de gases
Absorvedores
As máquinas de absorção têm por objetivo retirar os gases que não são necessários,
ou até prejudiciais, à conservação dos produtos dos depósitos. Existem absorvedores para
diferentes gases como para o dióxido de carbono e etileno. [6]
Figura 27 - (FCE. “GAC3000”. Methods for preserving fruit and vegetables with controlled atmosphere | FCE. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.fruitcontrol.it/en/preserving-fruit/
Figura 28 - (FCE. “GAC5000”. Methods for preserving fruit and vegetables with controlled atmosphere | FCE. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.fruitcontrol.it/en/preserving-fruit/
Figura 29 - (FCE. “Absorvedor de etileno”. Methods for preserving fruit and vegetables with controlled atmosphere | FCE. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.fruitcontrol.it/en/preserving-fruit/
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Geradores
Estas máquinas efetuam a produção e posterior depósito de gases na camara do
depósito.
Existem diferentes versões destes geradores de azoto, conforme a dimensão do
armazém e a eficiência de produção. [6]
Figura 30 - (FCE. “Gerador de Azoto”. Methods for preserving fruit and vegetables with controlled atmosphere | FCE. Acedido a 21 de outubro de 2015. http://www.fruitcontrol.it/en/preserving-fruit/
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Inovação na preservação alimentar
Utilização de pulsos elétricos
A utilização da eletricidade na conservação da comida surge em 1960, ainda que muito
primitiva e com pouca aplicabilidade, no entanto os progressos feitos na tecnologia voltaram
a despoletar um grande interesse nesta área. Este processo baseia-se em colocar os
alimentos entre dois elétrodos e estes serem atravessados por impulsos elétricos. Através
dos pulsos gerados a membrana das bactérias ou micróbios é destruída levando ao colapso
da mesma. A eficiência do processo, ou seja, a inativação microbiana, é diretamente
proporcional à intensidade dos pulsos. No entanto, devido à intensidade dos mesmos, é
necessário ter cuidado com o tempo de exposição pois pode levar ao aquecimento dos
alimentos pois, apesar do aumento de temperatura ajudar o processo, este é prejudicial
para o consumo dos alimentos pois leva a alterações químicas que os tornam
inconsumíveis. Contudo, é uma hipótese viável visto que se for usada dentro dos limites não
oferece qualquer alteração ao sabor do produto ou aos seus nutrientes e consegue mesmo
manter a sua frescura. [1]
Utilização de radiação Ultravioleta
Para se utilizar radiação Ultravioleta na conservação dos alimentos é necessário
primeiro criá-la, ou seja, gera-se uma diferença de potencial dentro de uma lâmpada, o que
leva à aparição de um campo magnético no interior da mesma que ioniza o mercúrio para
emitir radiação UV. Deste modo, a radiação emitida incide nos alimentos durante o intervalo
de tempo desejado reduzindo a carga microbiana, inativando enzimas e esterilizando as
superfícies. Deve-se ter em atenção o tempo durante o qual se incide radiação no produto,
pois uma dose subletal pode favorecer o crescimento de microrganismos. Apesar de este
tipo de tratamento não trazer alterações significativas ao alimento este tipo de processo não
tem sido muito utilizado na preservação de alimentos devido à sua fraca capacidade de
penetração. [1]
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 21
Utilização da nanotecnologia
A nanotecnologia é uma vasta área com muitas e diversificadas aplicações, podendo
uma delas ser a preservação dos alimentos. Um desses exemplos é a síntese e aplicação
de nano partículas super-paramagnéticas, isto é, nano partículas magnéticas com
capacidade de produzir calor quando submetidas a um campo magnético oscilante. Com
esta tecnologia é possível eliminar a atividade microbiana através da destruição da mesma
a partir do calor e aquecimento. É também possível sintetizar nano partículas que apenas
quando estão dentro do produto libertem ou criem enzimas e para manter o produto
consumível. [1]
Utilização da radiação nuclear
Através da energia nuclear é possível utilizar algumas das suas características para a
conservação alimentar. O tratamento de alimentos através da radiação nuclear baseia-se na
irradiação destes, que, apesar de acarretar algumas alterações químicas nos alimentos
nenhuma conhecida é nociva ou perigosa, motivo pelo qual a OMS recomenda o uso e
aplicação da radiação de alimentos. A exposição dos alimentos a este tipo de radiação
ionizante (não ioniza necessariamente o produto, exceto em casos onde seja usado em
excesso e leve à quebra de moléculas) leva à destruição de microrganismos e vírus,
possibilitando deste modo a sua preservação. [1]
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 22
Conclusões
Realizado este relatório, que possui como foco “A Engenharia Mecânica na Indústria
Alimentar” e “O papel da Engenharia Mecânica na conservação alimentar”, podem-se retirar
diversas conclusões aqui a registar, sendo possível dividi-las entre dois pontos, o conteúdo
do relatório e o âmbito em que este foi realizado, ou seja, a unidade curricular “Projeto
FEUP”.
Primeiramente, no que toca ao conteúdo do relatório, procedeu-se a uma descrição
cronológica da Conservação Alimentar e ficou clara a grande evolução que esta área
sofreu. Desde um saber empírico, removido de qualquer contexto teórico, com uma baixa
eficiência até uma área multidisciplinar, altamente especializada, e cuja eficiência pode ser
comprovada pela grande disponibilidade de alimentos com grande qualidade em qualquer
supermercado.
A Engenharia Mecânica constitui uma das disciplinas que maior contributo deu para a
Conservação Alimentar. Nas secções do relatório relativas à atualidade, é clara essa
contribuição nos três exemplos apresentados. A refrigeração eficaz, amplamente utilizada
nos dias de hoje seria impensável sem um conhecimento profundo da termodinâmica e sem
os sistemas baseados em princípios termodinâmicos e mecânicos desenvolvidos pelo
Engenheiro Mecânico. Sistemas estes capazes de criar e manter baixas temperaturas para
o armazenamento seguro de alimentos de forma fiável.
Fica ainda claro que o papel do Engenheiro Mecânico na Conservação Alimentar não
passa por decidir quais as temperaturas a que devem permanecer os alimentos, ou qual a
composição gasosa que menos oxida dados vegetais, mas sim em conceber e executar a
maquinaria capaz de satisfazer estas exigências da forma mais eficiente e fidedigna
possível, sem esquecer eventuais questões ambientais que possam decorrer do
funcionamento do sistema criado.
No futuro, o papel do Engenheiro Mecânico neste âmbito continuará a ser o acima
descrito, no entanto, tendo que se adaptar às inovações da área, como os campos elétricos
ou a nanotecnologia.
Por último, este relatório foi desenvolvido na unidade curricular “Projeto FEUP” e
pensamos que cumpriu com os seus dois objetivos principais, a inclusão do estudante na
comunidade académica e o desenvolvimento de capacidades de redação de um relatório
com a estrutura formal correta.
A Engenharia Mecânica na Industria Alimentar - O papel do Engenheiro Mecânico na conservação alimentar 23
Referências bibliográficas
1. Rahman MS. Handbook of food preservation: CRC press; 2007.
2. Dincer I. Refrigeration. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology: John
Wiley & Sons, Inc.; 2000.
3. Nummer, B.A.. 2015. National Center for Home Food Preservation | NCHFP
Publications. Acedido a 21 de outubro de 2015.
http://nchfp.uga.edu/publications/nchfp/factsheets/food_pres_hist.html
4. Kansas Historical Society. 2012. Food Preservation - Kansapedia - Kansas Historical
Society. Acedido a 18 de outubro de 2015. https://www.kshs.org/kansapedia/food-
preservation/17877
5. Haaf, S. and H. Henrici, Refrigeration Technology, in Ullmann's Encyclopedia of
Industrial Chemistry. 2000, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
6. Fruit Control. 2015. Methods for preserving fruit and vegetables with controlled
atmosphere | FCE. Acedido a 12 de outubro de 2015. http://www.fruitcontrol.it/en/preserving-
fruit/