Controle Do Processo de Pasteurização Em Cerveja Envasada

MINISTRIO DA EDUCAO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

ELABORAO DE UM MODELO PARA O CONTROLE DO PROCESSO DE

PASTEURIZAO EM CERVEJA ENVASADA (IN-PACKAGE)

por

Daniel Horacio Girotti Fontana

Dissertao para obteno do Ttulo de

Mestre em Engenharia

Porto Alegre, Junho de 2009

ELABORAO DE UM MODELO PARA O CONTROLE DO PROCESSO DE

PASTEURIZAO EM CERVEJA ENVASADA (IN-PACKAGE)

por

Daniel Horacio Girotti Fontana

Engenheiro Mecnico

Dissertao submetida ao Corpo Docente do Programa de Ps-Graduao em Engenharia

Mecnica, PROMEC, da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,

como parte dos requisitos necessrios para a obteno do ttulo de

Mestre em Engenharia

rea de concentrao: Fenmenos de Transporte

Orientador: Prof. Dr. Paulo Smith Schneider

Comisso de Avaliao:

Prof. Dr. . Ligia S. Damasceno Ferreira Marzack, PPGEQ/UFRGS

Prof. Dra. Adriane Prisco Petry, PROMEC/UFRGS

Prof. Dr. Francis Henrique Ramos Frana, PROMEC/UFRGS

Prof. Dr. Horacio Antnio Vielmo

Coordenador do PROMEC

Porto Alegre, Junho de 2009

iii

AGRADECIMENTOS

O presente trabalho foi realizado. sob a orientao do Prof. Dr. Paulo Smith Schneider, a quem

expresso minha sincera gratido por toda sua orientao, compreenso e ajuda para a superao

das dificuldades encontradas durante a execuo deste trabalho

Agradeo Ariane Soraia, to especial na minha vida, pela cumplicidade e amor que sempre

recebi e que sem sua ajuda este trabalho no existiria.

Agradeo aos meus pais, Horacio e Mabel, por tudo que fizeram por mim, de forma

incondicional.

Ziemann-Liess Mquinas e Equipamentos Ltda., que lanou o desafio que foi a base deste

trabalho e pelos todos os apoios recebidos para que eu pudesse executar o mestrado. Agradeo

em especial aos engenheiros Nilson Bolgenhagen, Marcus Gerhardt, Eleandro Tomasi e Luis

Fernando Klein.

Aos colegas do LETA e do GESTE, pelo companheirismo e auxlio. Agradeo de forma especial

ao colega Marco Lovatto, pelo auxlio na resoluo das simulaes computacionais.

Ao Centro Nacional de Supercomputao (CESUP/RS), pela disponibilidade dos recursos

computacionais utilizados neste trabalho.

UFRGS onde, por meio do PROMEC, me disponibilizou esta valiosa oportunidade e por todos

os recursos que me foram colocados disposio.

iv

RESUMO

A pasteurizao um processo trmico de tratamento de alimentos, sendo amplamente

difundido na indstria de bebidas. ela que prov ao produto sua durabilidade dentro dos

padres adequados ao consumo humano. Suas aes tambm tm impacto direto nas

propriedades organolpticas e estabilidade qumica do produto.

Os produtos geralmente so pasteurizados em equipamentos de grandes dimenses,

chamados de tneis pasteurizadores. Nestes equipamentos, os alimentos so pasteurizados no

sistema in-package, ou seja, j envasados, de forma a eliminar os microorganismos presentes

tambm no vasilhame.

Este trabalho tem por objetivo a investigao dos fenmenos de transferncia de calor

que ocorrem na pasteurizao de cerveja engarrafada bem como a elaborao de um modelo

analtico visando permitir um controle do processo trmico. Para a obteno dos valores dos

coeficientes de troca trmica global foi projetada e construda uma bancada de testes que permite

recriar as mesmas condies existentes nas mquinas reais.

Com esta bancada so obtidos resultados que permitem analisar os coeficientes globais de

transferncia de calor e estudadas suas relaes com a massa e geometria do vasilhame em

estudo. Estes coeficientes alimentam um modelo analtico proposto que possa ser facilmente

implementado de forma a consolidar o sistema de controle do processo de pasteurizao.

Os coeficientes obtidos atingem uma boa confiabilidade do modelo para este caso em

estudo alm de permitir um conhecimento mais profundo sobre o processo trmico e seu

comportamento fluidodinmico.

De forma a consolidar o pressente trabalho, simulaes numricas so realizadas para

permitir a uma visualizao mais clara das caractersticas de processo atravs os campos de

temperatura e velocidade, para comprovao das observaes efetuadas nos estudos

experimentais.

O modelo proposto de transferncia de calor para o controle do processo, com seus

coeficientes, juntamente com o equacionamento da intensidade de pasteurizao, permitiram a

construo de uma mquina onde os resultados deste estudo so utilizados, atingindo uma

eficincia de processo da ordem de 95%, suficiente para a consolidao da soluo junto ao

mercado.

v

ABSTRACT

Formulation of a Model for Controlling the Pasteurization Process of Bottled Beer (IN-

PACKAGE)

Pasteurization is one of the most important processes applied in drinking industry. It is

the process that provides the product the needed durability in order to ensure a secure

consumption for human beings. The effects of pasteurization also affect the organoleptic

properties of the products and its chemical stability.

The products are pasteurized in large equipments called tunnel pasteurizers, and the

process is also called in-package pasteurization. That means that the product is processed already

bottled, in order to eliminate the microorganisms that may be present in the bottle.

This work has the purpose to investigate the physical phenomenas that occurs during

beer pasteurization, and to elaborate an analytical model that describes the thermal problem. In

order to acquire the global heat transfer coefficients, as the analysis of the thermal resistances

involved, it is designed and constructed an analysis machine that creates all the conditions that

can be found in real machines.

With this analysis machine, it is obtained the results of the global heat transfer

coefficients, and it relations with the mass and the geometry aspect ratio of the bottle. The

coefficients will be implemented in the model proposed in order to allow the creation of a

pasteurization control system that can be programmed for a real machine, today not featured in

the machines offered in the Brazilian market

The obtained coefficients ensures a good reliability of the model for this special purpose

as also allows a depth knowledge of the thermal and fluid-dynamic process, for future studies

that can be developed in the area.

For the consolidation of the proposed model, investigations are performed using

numerical methods for a complete observation of the most important features that has influence

in the process.

This work enabled the construction of a real machine with pasteurization process control,

using the model together with the obtained heat transfer coefficients. Some results of measures

made at this machine are presented, showing that it can ensure a efficiency of 95%. This result

turns to be good enough in order to approve the machine for operations in the domestic market.

vi

NDICE DE FIGURAS

Figura Pag.

2.1 Morte trmica dos microorganismos a uma dada temperatura.............................. 18

2.2 Curva de Sobrevivncia Trmica (Sevilla 2004)................................................... 19

2.3 Dependncia da curva de sobrevivncia trmica com a temperatura.................... 21

2.4 Curva de Resistncia Trmica................................................................................ 22

2.5 Comportamento da taxa de ganho das Unidades de Pasteurizao........................ 25

2.6 Vista lateral esquemtica de um Pasteurizador de Cestos tipo Gasquet................ 26

2.7 Vista superior esquemtica de um Pasteurizador de Cestos tipo Gasquet............. 27

2.8 Pasteurizador de cestos tipo americano.................................................................. 28

2.9 Diagrama de pasteurizador tipo tnel de Barry-Wehmiller (Clerk 1958).............. 29

2.10 Esquema bsico do movimento da garrafa (sistema walking beams)................ 29

2.11 Apoios fixos e apoios mveis que permitem o avano das garrafas...................... 30

2.12 Cilindros atuadores do movimento descrito na figura 2.10................................... 30

2.13 Movimentao dos pistes e o movimento relativo da garrafa.............................. 31

2.14 Parte frontal de um tnel pasteurizador em ao inoxidvel, com acionamento

por motoredutores planetrios................................................................................ 32

2.15 Esteira transportadora, com eixo e engrenagens de acionamento (Intralox Co

2008)...................................................................................................................... 33

2.16 Vasilhames passando por um pasteurizador tipo tnel construdo em ao inox e

com esteira transportadora (cortesia de Ziemann-Liess Ltda.).............................. 33

2.17 Vista frontal esquemtica de um tnel com sua rea inferior utilizada como

tanque..................................................................................................................... 34

2.18 Vista frontal esquemtica de um tnel utilizando reservatrio de gua quente..... 35

2.19 Planta esquemtica de envase de cerveja............................................................... 36

2.20 Vista geral de uma linha de envase de cerveja....................................................... 36

3.1 Zonas de processo de um tnel pasteurizador. Receita para 16UP........................ 40

3.2 Esquema bsico do processo de transferncia de calor.......................................... 40

3.3 Variao da energia interna dada pelo balano da entrada e sada das taxas de

calor........................................................................................................................ 43

3.4 Formulao de clculo da temperatura de todas as garrafas em um tnel

pasteurizador.......................................................................................................... 46

vii

Figura Pag.

4.1 Fluxograma da bancada construda........................................................................ 52

4.2 Vista lateral do prottipo........................................................................................ 53

4.3 Garrafas em testes (piso inferior)........................................................................... 54

4.4 Bico de spray, para cone cheio com ngulo de abertura de 60............................. 54

4.5 Bombas: de gua quente, de gua fria e bomba principal...................................... 55

4.6 Tela do sistema de controle da bancada do pasteurizador..................................... 56

4.7 Termgrafo para medio da temperatura no vasilhame....................................... 57

4.8 Montagem da sonda em um vasilhame de 600ml.................................................. 58

5.1 Curva de aquecimento do vasilhame (medida no cold spot).................................. 61

5.2 Valores do fator f ao longo do teste 1................................................................... 62

5.3 Teste 1 - Resultados do modelo terico, utilizando valores de f ......................... 63

5.4 Variao de f com a temperatura do banho TS.............................................................................. 63

5.5 Curva de aquecimento para o Teste 2 (tempo de 200s por patamar)..................... 65



5.8 Variao de f com a temperatura do banho TS.................................................... 66

5.9 Teste 2 - Resultados do modelo terico, utilizando valores de f ........................ 67



5.12 Variao de f com a temperatura do banho TS.............................................................................. 70



5.15 Valores do fator exponencial f ao longo do teste de resfriamento......................... 73

5.16 Teste Resfriamento - Resultados do modelo terico com valores de f ............... 74

5.17 Fator f - Regies caractersticas.......................................................................... 75

6.1 Modelo auxiliar, compreendendo o (a) vidro e o fluido e (b) modelo com a

geometria original do vasilhame............................................................................ 80

6.2 Contato do fundo de um vasilhame de cerveja com esteira transportadora........... 81

6.3 Esquema bsico das condies de contorno do problema auxiliar........................ 82

viii

Figura Pag.

6.4 Interface entre malha no-estruturada tetradica e malha prismtica (a) Modelo

auxiliar, compreendendo o vidro e o fluido e (b) modelo somente fluido............. 88

6.5 Malhas utilizadas (a) Modelo auxiliar, compreendendo o vidro e o fluido e (b)

modelo com a geometria original do vasilhame, somente fluido........................... 89

6.6 Resultados da temperatura interna do vidro. Temperatura externa de 40C

(313K).................................................................................................................... 90

6.7 Mdia da temperatura interna do casco de vidro com aproximao polinomial.... 90

6.8 Evoluo do campo de temperatura: (a) em t = 0s, (b) em t = 20s, (c) em t = 60s

e (d) em t = 120s..................................................................................................... 91

6.9 Evoluo do campo de temperatura corte transversal a 20mm do fundo, em t

= 0s, (b) em t = 20s, (c) em t = 60s e (d) em t = 120s............................................ 92

6.10 Evoluo do campo de temperatura: (a) em t = 150s, (b) em t = 200s, (c) em t =

250s e (d) em t = 300s............................................................................................ 93

6.11 Pontos selecionados para anlise........................................................................... 94

6.12 Evoluo temporal da temperatura para os pontos do eixo da garrafa.................. 94

6.13 Resultados de Engelman e Sani (1983) para diversos pontos da garrafa............... 95

6.14 Evoluo temporal da temperatura para os pontos em outras posies radiais..... 95

6.15 Linhas de corrente: (a) t = 10s, (b) t = 20s, (c) t = 30s, (d) t = 40s........................ 96

6.16 Linhas de corrente: (a) t = 60s, (b) t = 100s, (c) t = 120s, (d) t = 150s.................. 97

6.17 Comparativo entre TCS obtido numericamente com resultados experimentais...... 98

7.1 Viso geral do tnel pasteurizador nacional com controle de processo................. 101

7.2 Vista superior e lateral da mquina........................................................................ 101

7.3 Comparativo de curva obtida em mquina real com modelo utilizado.................. 103

7.4 Outro exemplo de comparativo de curva medida com curva do modelo utilizado 104

7.5 Tela da IHM mostrando o processo em cada ponto da mquina. Escala da

esquerda referente a temperatura (C) e escala da direita referente as UPs......... 105

ix

NDICE DE TABELAS

Tabela Pag.

2.1 Faixas de pH relativas s taxas de reproduo dos microorganismos (Gava 1998) 17

3.1 Dados do exemplo de demonstrao do controle de UP......................................... 47

5.1 Valores Utilizados no Teste 1.................................................................................. 60

5.2 Resultados do Teste 1.............................................................................................. 62

5.3 Anlise de Desvios do Teste 1................................................................................. 64

5.4 Valores para os Testes de aquecimento 2, 3 e 4...................................................... 64

5.5 Resultados do Teste 2, 3 e 4.................................................................................... 67

5.6 Anlise de Desvios dos Testes 2, 3 e 4.................................................................... 69

5.7 Valores para os Teste de aquecimento 5 e 6............................................................ 69

5.8 Resultados do Teste 5 e 6........................................................................................ 70

5.9 Anlise de Desvios dos Testes 5 e 6........................................................................ 72

5.10 Valores do Teste de resfriamento............................................................................ 72

5.11 Resultados do Teste de Resfriamento..................................................................... 73

5.12 Anlise de Desvios do Teste de Resfriamento........................................................ 74

5.13 Fator Exponencial Mdio para vasilhame de 600ml............................................... 75

5.14 Propriedades para o Vasilhame de 600ml............................................................... 77

5.15 Coeficiente global de transferncia de calor para vasilhame de 600ml.................. 77

6.1 Informaes das malhas utilizadas.......................................................................... 89

6.2 Funo de Temperatura Interna Obtida no Caso Auxiliar....................................... 91

6.3 Coordenadas dos pontos de anlise, da figura 6.11................................................. 94

6.4 Desvios entre o modelo numrico e o modelo fsico usando f ............................. 99

7.1 Dados de processo do pasteurizador........................................................................ 102

7.2 Resultados da medio mostrada na figura 7.3....................................................... 103

7.3 Eficincia do tnel pasteurizador Teresina/PI...................................................... 104

x

LISTA DE SMBOLOS

N Nmero de microrganismos....................................................... [ ]

t Tempo........................................................................................ [s]

K Constante de morte trmica....................................................... [1/s]

D Tempo de reduo decimal........................................................ [s]

Ea Energia de ativao da reao.................................................... [J]

R Constante universal dos gases.................................................... [ /kJ kmol K ]

T Temperatura................................................................................ [C]

K Fator pr-exponencial................................................................. [1/s]

D Fator pr-exponencial (baseado no tempo D)............................ [1/s]

Z Fator de resistncia trmica........................................................ [ ]

L ndice de letalidade................................................................... [ ]

UP Unidade de pasteurizao.......................................................... [UP]

E Energia interna........................................................................... [J]

q Taxa de calor.............................................................................. [W]

U Coeficiente global mdio de transferncia de calor................... [ 2/W m K ]

A rea............................................................................................ [m2]

CP Calor especfico.......................................................................... [ /J kg K ]

V Volume....................................................................................... [m3]

f Fator constante de tempo de transferncia de calor................... [s]

LNu Nmero de Nusselt mdio.......................................................... [ ]

RaL Nmero de Rayleigh................................................................... [ ]

Gr Nmero de Grashof.................................................................... [ ]

Pr Nmero de Prandtl..................................................................... [ ]

g Acelerao gravitacional............................................................ [m/s2]

L Comprimento caracterstico....................................................... [m]

m Massa......................................................................................... [kg]

z Coordenada espacial.................................................................. [m]

r Coordenada espacial.................................................................. [m]

gen Gerao interna de energia......................................................... [J/m3]

v Velocidade................................................................................. [m/s]

H Altura do vasilhame................................................................... [m]

xi

Dia Dimetro do vasilhame.............................................................. [m]

k Condutividade trmica.............................................................. [W/mK]

LETRAS GREGAS

Peso especfico.......................................................................... [ 3/kg m ]

Viscosidade cinemtica............................................................. [m2/s]

Difusividade trmica................................................................. [m2/s]

Viscosidade dinmica................................................................ [ /kg m s ]

Coeficiente de expanso trmica................................................ [1/K]

Coordenada espacial................................................................... [rad]

SUB-NDICES

REF Referncia

RED Reduzido

CS Ponto frio (cold spot)

S Banho (spray)

CT Contato

liq Referente ao lquido

vas Referente ao vasilhame

F Fluido

V Vidro

SIST Referente ao sistema vidro-cerveja

xii

NDICE

1. INTRODUO ....................................................................................................................... 1

1.1 MOTIVAO ............................................................................................................................................. 2

1.2 REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................................................................... 4

1.3 ESCOPO E ORGANIZAO DESTE TRABALHO ................................................................................ 8

2. PASTEURIZAO ............................................................................................................... 10

2.1 SOBRE A PASTEURIZAO ................................................................................................................. 10

2.2 PRINCIPAIS FATORES INFLUENTES .................................................................................................. 12

2.3 PRINCIPAIS MICROORGANISMOS A SEREM ATACADOS PELA PASTEURIZAO ................ 13

2.4 CONSEQNCIAS DE UMA M PASTEURIZAO ........................................................................ 16

2.5 CINTICA DA MORTE TRMICA DE MICROORGANISMOS ......................................................... 17

2.6 HISTRICO SOBRE MQUINAS DE PASTEURIZAO .................................................................. 25

3. APRESENTAO DO PROBLEMA .................................................................................. 39

3.1 MODELAGEM FSICA SIMPLIFICADA CONTROLE PROPOSTO ................................................ 42

3.2 FORMA DE APLICAO PARA O CONTROLE ................................................................................. 45

4. METODOLOGIA .................................................................................................................. 51

4.1 O PROJETO EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 51

5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS ..................................................................................... 59

5.1 PLANEJAMENTO DOS TESTES ............................................................................................................ 59

5.2 EXECUO DOS TESTES ..................................................................................................................... 60

5.3 TESTE DE AQUECIMENTO ................................................................................................................... 60

5.4 TESTE DE AQUECIMENTO VERIFICAO DA DEPENDNCIA COM O TEMPO .................... 64

5.5 TESTES DE AQUECIMENTO CONSOLIDAO DOS VALORES DE f ..................................... 69

5.6 TESTES DE RESFRIAMENTO ............................................................................................................... 72

5.7 DISCUSSO SOBRE OS RESULTADOS EXPERIMENTAIS .............................................................. 74

6. ESTUDOS NUMRICOS ..................................................................................................... 79

6.1 ESTRATGIA UTILIZADA .................................................................................................................... 79

6.2 MODELAGEM MATEMTICA Problema Auxiliar ............................................................................ 81

6.3 MODELAGEM MATEMTICA Problema Fluido ............................................................................... 87

6.4 MALHAS UTILIZADAS .......................................................................................................................... 87

6.5 O PROBLEMA AUXILIAR ..................................................................................................................... 89

6.6 RESULTADOS ......................................................................................................................................... 91

xiii

7. A MQUINA REAL ............................................................................................................. 99

7.1 PASTEURIZADOR COM CONTROLE DE UP ...................................................................................... 99

7.2 MEDIES DE PROCESSO ................................................................................................................. 101

8. CONCLUSO ..................................................................................................................... 105

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................................................ 108

1

1. INTRODUO

A indstria alimentcia est cada vez mais exigindo equipamentos que aliem grandes

volumes de produo com alta preciso nos processos. Estas exigncias fazem com que

equipamentos que operam em uma linha de produo tenham que garantir altos ndices de

rentabilidade, garantindo processos com estreitas margens de tolerncia.

Na indstria de bebidas, a indstria cervejeira uma das maiores e mais tradicionais do

setor e, talvez, a que envolva o maior nmero de processos, desde a manipulao da matria-

prima at os procedimentos de estoque do produto final.

A pasteurizao o ltimo processo ao qual a cerveja submetida. O processo segue a

mesma concepo inventada pelo cientista francs Louis Pasteur em 1864, quando ele

demonstrou que as doenas causadas pelo vinho eram oriundas da presena de microorganismos.

Estes microorganismos eram mortos quando aquecidos at uma temperatura de 55C (Ziemann-

Liess Ltda 1985). No caso da cerveja, a pasteurizao basicamente consiste em submeter cerveja

j envasada (in-package) a um aquecimento gradual at uma temperatura padro e assim mantida

por alguns minutos. Aps este perodo, ela submetida a um resfriamento gradual at a

temperatura ambiente, para armazenamento. A cerveja pasteurizada j envasada para tambm

efetuar uma eliminao dos microorganismos que podem estar no vasilhame, j que a maioria

dos vasilhames de cerveja do tipo retornvel.

Este processo ocorre em um equipamento de grandes dimenses denominado tnel

pasteurizador. Nestes tneis, os vasilhames sofrem diversos banhos, com temperaturas

diferentes, que promovem o aquecimento e o resfriamento gradual das garrafas.

A pasteurizao est assumindo cada vez mais um papel importante na qualidade e

produtividade das indstrias cervejeiras. Isto se deve-se ao fato dos tneis pasteurizadores

estarem encarregados em processar quantidades cada vez maiores de vasilhames, com

tolerncias cada vez menores em relao aos padres exigidos para o processo. Alm disto, as

mquinas devem trabalhar praticamente sem nenhuma interveno humana, exigindo um nvel

muito alto de automao e de confiabilidade.

Nas ltimas dcadas, as nicas mquinas disponveis no mercado que atendem a estas

exigncias so de origem estrangeira. Porm, o parque industrial das cervejarias ainda possui

dezenas de mquinas antigas (ou at mais novas, porm mais simples) que no tem um real

controle do processo de pasteurizao. Este maquinrio se mantm ativo devido ao alto custo das

mquinas importadas. A maior parte das mquinas encontradas apenas controla as temperaturas

2

dos banhos, seguindo um padro pr-estabelecido. Qualquer variao no funcionamento de uma

das mquinas da linha de envase ocasiona desvios na pasteurizao exigindo que grandes

quantidades de produtos sejam segregadas, de forma sistemtica, para anlise laboratorial.

Com este panorama caracterizado, a concepo de um modelo matemtico que possa ser

implementado em um software de controle destas mquinas, permitindo que a mesma possa

efetuar adequaes nos banhos em funo do nvel de pasteurizao dos vasilhames no seu

interior extremamente bem-vinda. Este modelo j levaria em conta as propriedades de cada

vasilhame e produto a ser processado, permitindo a visualizao da temperatura e nvel de

pasteurizao de cada vasilhame processado. Estes dados podem, assim, ser acompanhados na

tela de IHM (Interface Humano-Mquina) do pasteurizador.

Finalmente, com o modelo consolidado e com bom nvel de confiabilidade, fabricantes

nacionais de pasteurizadores poderiam aplic-lo e voltar a concorrer com os tneis

pasteurizadores importados.

1.1 MOTIVAO

Com a atual situao de dependncia do mercado externo, alm do relativo pouco estudo

acadmico direcionado aos fenmenos envolvidos no processo de pasteurizao de lquidos j

envasados, este trabalho visa prover resultados que permitam no apenas a compreenso dos

fenmenos envolvidos e suas grandezas, mas tambm uma soluo de curso prtico para sua

aplicao em programa de gerenciamento das mquinas pasteurizadores do tipo tnel.

O problema bsico recai na conduo de calor atravs do casco e na conseqente

conveco natural do fluido interno. Devido s pequenas dimenses do vasilhame e das

diferenas de temperatura entre o fluido envasado e a gua de cada banho, esguichada pelo tnel

(limitada pela resistncia ao choque trmico do material do casco), espera-se um comportamento

onde exista uma maior velocidade prxima s paredes e a maior parte do fluido dentro da

cavidade (o ncleo) relativamente estagnado e termicamente estratificado (Bejan 1995).

Estudos anteriores mostram que o escoamento se mantm dentro do regime laminar,

sendo que em processos longos, as velocidades caem rapidamente com a diminuio do

diferencial de temperatura, podendo chegar ao limite da conduo no fluido (Bejan, 1995; Patio

et al. 2001).

possvel a realizao de estudos experimentais para a obteno dos coeficientes globais

de transferncia de calor, com a medio da temperatura em pontos estratgicos para a

pasteurizao dentro do vasilhame, geralmente o eixo central do vasilhame (Brandon, et al.

3

1984; Gava, 1998; Larsen, 2006). Este procedimento relativamente simples para ser executado

em uma bancada e suficiente para poder calcular a intensidade da pasteurizao.

Deseja-se, ento, conhecer estes coeficientes e estud-los para as situaes mais comuns

que ocorrem no interior dos tneis para o vasilhame de vidro com capacidade para 600ml de

cerveja, j que o mais utilizado no mercado.

O vasilhame tambm deve ser analisado de forma a quantificar sua real influncia, tanto

como resistncia trmica para a transferncia do calor, bem como nos campos de velocidade

dentro do vasilhame, devido sua geometria. Lewicki (1983, 1984 e 1985) mostrou que as

relaes geomtricas do vasilhame podem afetar a estabilidade das condies da transferncia de

calor, j que sua forma altera as correntes convectivas.

Para uma medio confivel das temperaturas das paredes internas do vasilhame torna-se

difcil, j que as dimenses dos medidores de temperatura, por menores que sejam, podem

modificar substancialmente o regime de camada limite do ponto em questo, j que se presume

que esta camada limite possua uma pequena espessura.

Com a disponibilidade atual de poderosas ferramentas computacionais, estas

necessidades so supridas atravs da obteno de resultados de simulao numrica dos campos

de velocidade e distribuio de temperatura, validados atravs da comparao da temperatura de

alguns pontos do fluido com resultados experimentais. Desta forma, pode-se considerar uma boa

confiabilidade nos resultados numricos.

Esses resultados permitem ainda uma avaliao adequada da intensidade do tratamento

trmico na bebida, devendo-se conhecer o comportamento fluidodinmico e sua influncia na

distribuio de temperaturas no interior do vasilhame.

Com o conhecimento detalhado dos fenmenos envolvidos pode-se conhecer os efeitos

de cada parte do domnio envolvido, composto pelo vidro do vasilhame e pela cerveja, podendo

definir qual das partes possui uma maior influncia e o porqu disto. Isto leva a concluir a real

influncia da massa do vasilhame, por exemplo, no processo de transferncia de calor.

Uma compilao geral de pasteurizao de cerveja, juntamente com um entendimento

com maior profundidade dos fenmenos de transporte caractersticos do processo, sua

quantificao e organizao tambm so almejados para este trabalho.

4

1.2 REVISO BIBLIOGRFICA

At o incio da dcada de 80, uma grande quantidade de trabalhos experimentais e

tericos foi dirigida para estudos de pasteurizao de alimentos j embalados (in-packed).

Porm, a literatura em geral se aplica a alimentos slidos, sendo problemas puramente

condutivos. So relativamente poucos os trabalhos voltados a processo de pasteurizao, ou que

estudam transferncia de calor onde o contedo de uma cavidade lquido, como os de Lewicki

(1984 e 1985)

Destes poucos trabalhos, a grande maioria estudou lquidos contidos em latas. Neste caso,

o recipiente, alm de ser um material com alta condutividade, possui espessuras muito pequenas,

fazendo com que sua resistncia trmica possa ser desprezada, fazendo uma anlise da

conveco natural interna direta, simplificando muito o estudo.

Dos poucos trabalhos completos, utilizando vasilhames influentes no processo, que

fornecem resultados confiveis dos valores dos coeficientes de troca trmica global o de

Lewicki et al (1983, 1984 e 1985). O autor efetuou um estudo experimental em trs etapas

principais.

A primeira (Lewicki, et al, 1983) avaliou quais so os reais fatores que influenciam na

transferncia de calor em vasilhames submetidos aos banhos de um tnel pasteurizador. O autor

demonstrou que os tneis pasteurizadores possuem banhos com vazes muito altas. A

transferncia de calor entre a gua do banho e os vasilhames no afetada com a diminuio

destas vazes, at um ponto limite onde, abaixo deste, a eficincia de troca trmica cai

severamente. Assim, fica demonstrado que como h pouco conhecimento dos fenmenos de

transferncia de calor (pelo domnio destes valores pelos fabricantes das mquinas), os tneis so

providos de bombas com altas vazes, o que garantem que os banhos esto acima deste ponto

limite.

A segunda parte de seu trabalho (Lewicki, 1984), o autor obteve alguns coeficientes

globais de transferncia de calor e avaliou-se seu comportamento em relao razo geomtrica

de alguns vasilhames e em relao ao tempo de processo. O autor instalou sensores de

temperatura em diversos pontos de vasilhames com diferentes razo de aspecto (relao

dimetro/altura), inclusive nas paredes interna e externa dos vasilhames. Os resultados

confirmaram diversas observaes, tais como as inrcias no aquecimento dos vasilhames

maiores, sendo que estes possuem um coeficiente global de transferncia de calor

substancialmente menor do que os menores vasilhames, permitindo que possa se estabelecer

correlaes entre eles.

5

Na etapa final do seu estudo (Lewicki, 1985) so realizados estudos estatsticos da

distribuio dos valores dos coeficientes globais de transferncia de calor em diferentes pontos

de diferentes vasilhames, alcanando uma compilao extensa de dados do processo de

transferncia de calor no interior dos vasilhames de uma forma experimental, j que no foi

aplicado nenhum mtodo numrico ou um estudo especfico do comportamento fluidodinmico.

Nos estudos de Lewicki, o prprio autor admite que a instrumentao aplicada pode gerar

interferncias significativas no processo. Por exemplo, os sensores de temperatura instalados na

parede interna dos cascos podem ser maiores do que a camada limite, impedindo a aceitao dos

valores como precisos. Porm, estes estudos ajudaram a entender a participao de cada

componente do problema. Por exemplo, foi obtido que a resistncia da conveco forada

externa cerca de vinte vezes menor do que a da conveco natural interna na garrafa, para

banhos feitos com esguichos com alta presso.

A partir da segunda metade da dcada de oitenta, encontram-se uma presena muito

maior de trabalhos que tratam da conveco natural em fluidos em cavidades, inclusive alguns

com a aplicao da pasteurizao com vasilhames de vidro. Esta evoluo pode ser atribuda ao

incio das aplicaes dos mtodos computacionais.

Um dos primeiros trabalhos que aplica estudos de CFD ao problema da pasteurizao o

de Engelman e Sani (1983). Os autores efetuaram um estudo transiente da transferncia de calor

em um vasilhame de vidro contendo cerveja que aquecido, a partir de uma temperatura inicial,

com uma temperatura externa constante. Foi utilizado um algoritmo prprio, obtendo resultados

que representam bem observaes experimentais, porm apenas de forma qualitativa. Porm, seu

foco direcionado para o mtodo de soluo numrica, deixando a preciso da simulao para

com o processo de pasteurizao em segundo plano. Isto sugerido nitidamente pela sua

condio de contorno para simular a variao de temperatura da parede interna, onde os autores

utilizaram uma condio de regime permanente para a transferncia de calor pelo vidro,

adaptando a lei de Fourier de para , mesmo o vidro no sendo uma dimenso

pequena suficiente para ser considerada infinitesimal.

Um estudo mais atual, e que corrige a situao encontrada em Engelman e Sani, o

trabalho de Patio et al. (2001), onde tambm foi simulado o fluido contido em um vasilhame de

vidro sujeito a um aquecimento dentro de um tnel pasteurizador. A diferena bsica que neste

trabalho os autores tentaram calcular a temperatura interna do vasilhame, estimando um

coeficiente de conveco natural interna e obtendo a desejada temperatura pela condio de

contorno = ( ). O processo foi simulado com um cdigo comercial e a

estimativa de h confirmada com a comparao com um resultado experimental, obtido do

6

trabalho de Navarro e Lacoa (1998). Porm o trabalho de Patio mostra apenas o comportamento

fluidodinmico e distribuio de temperatura para apenas um caso de aquecimento.

Larsen (2006) efetuou um estudo muito semelhante ao de Patio (2001), porm aplicou a

hiptese de desprezar a influncia do vasilhame, j que o foco de seu estudo foi baseado na

utilizao de latas de alumnio com cerveja no seu interior. Um dos resultados obtidos por

Larsen que, ao se considerar as variaes nas propriedades em funo da temperatura,

vasilhames aquecidos a um mesmo diferencial de temperatura (T) inicial podem possuir

velocidades de aquecimento ligeiramente diferentes, dependendo do patamar que este diferencial

se aplica, ou seja, uma lata submetida a um T = 20C com temperatura inicial de 10C

levemente mais lenta do que uma lata sob o mesmo T, porm com temperatura inicial de 20C.

Porm, a diferena, mesmo comprovada em diferentes casos, pode ser desprezada.

Kannan e Sandaka (2008) efetuaram um estudo da transferncia de calor em fluidos

submetidos ao processo de pasteurizao em latas. Mesmo possuindo a hiptese de desprezar a

resistncia e a massa do vasilhame (que, de fato, muito pequena se comparada massa do

fluido) os autores efetuaram uma formulao de uma relao para o nmero de Nusselt mdio do

processo, associando-o a diferentes razes de aspecto de envases cilndricos feitos de alumnio.

Os resultados foram comprovados com algumas observaes experimentais. O trabalho tambm

identifica a existncia de uma regio inicial, onde o coeficiente de transferncia de calor pela

conveco interna dominante, mas que rapidamente decai e o problema tende a ser difusivo-

dominante em tempos maiores (relacionados com nmero de Fourier). As correlaes de Nusselt

apresentadas so dividias para a regio advectivo-dominante e difusivo-dominante.

Varma e Kannan (2006) realizaram um trabalho para diferentes geometrias de envase.

Simulaes numricas foram realizadas para diferentes razes de aspecto em recipientes

cilndricos e cnicos visando otimizar a transferncia de calor apenas pela variao de geometria.

A hiptese de desprezar a influncia do vasilhame tambm adotada. O estudo numrico adotou

o aquecimento dos vasilhames a uma temperatura externa constante, com anlise em diferentes

pontos em seu interior. Os resultados demonstraram que vasilhames cnicos possuem uma taxa

de aquecimento muito mais rpido do que o cilindro no seu ponto mais frio, podendo auxiliar em

uma futura evoluo do padro de vasilhames atualmente utilizado pela indstria. Porm, hoje

existe toda uma estrutura envolvida para os atuais vasilhames, tanto de alumnio quanto de vidro,

dificultando uma mudana rpida na forma dos mesmos.

Kurian et al. (2009) estudou o efeito do aquecimento de fluido em uma cavidade

inclinada (desprezando-se novamente o vasilhame). Muitas vezes ocorre a presena de algum

vasilhame que entra em um tnel pasteurizador tombado, ou inclinado (apoiado em outros

7

vasilhames). Os autores realizaram estudos numricos para avaliar como se d o aquecimento

nestes vasilhames. Os resultados mostraram que o aquecimento muito mais rpido nos

vasilhames tombados, j que a conveco natural se d em uma altura muito menor. O mesmo

acontece com os vasilhames inclinados, porm surgem regies de estagnao (recirculaes) que

fazem com que, mesmo em tempos maiores, seja muito difcil a uniformizao da temperatura e,

conseqentemente, dos efeitos da pasteurizao. Os resultados tambm incluem a variao do

nmero de Nusselt com o grau de inclinao desde 0 (vasilhame em p) at 90 (vasilhame

deitado).

Yang e Rao (1998) realizaram um estudo com amido de milho dissolvido em gua que

deve ser pasteurizada. Porm, no aquecimento, o contedo tende a possuir um aumento

considervel em sua viscosidade aparente, chegando a atingir um estado gelatinoso. O trabalho

estudou o problema numericamente estabelecendo o comportamento reolgico do contedo no

processo de pasteurizao. Resultados mostraram uma pequena conveco natural logo

interrompida e um problema condutivo se instaura. Um modelo terico foi proposto pelos

autores de forma a simular a pasteurizao na protena de milho dissolvida, j que este produto

um dos mais utilizados na indstria de alimentos.

No Brasil, poucos trabalhos so encontrados na rea. O trabalho de Dilay, et al. (2005)

efetua um estudo termodinmico de tneis pasteurizadores. Mesmo no possuindo o foco da

transferncia de calor nos vasilhames em si, efetuou um balano de energia dentro do complexo

sistema de banhos do tnel, efetuando sugestes para a otimizao dos equipamentos.

No campo dos trabalhos analticos, geralmente se recai em situaes padres da

literatura. O trabalho de Sparrow e Prakash (1981) efetuou estudos tericos de fluidos em

cavidades totalmente fechadas com conveco forada externa e conveco natural interna, em

regime permanente. Este um problema clssico, encontrado na maioria da literatura, como em

Bejan (1995) e Burmeister (1993).

Outros estudos na rea tambm podem ser citados. Os processos de aquecimento e

resfriamentos na pasteurizao foram estudados por Brandon, et al. (1984), analisando-se o o

campo de temperaturas dentro de uma lata, com grandes gradientes na direo radial e uma

posterior uniformizao do campo de temperaturas, no decorrer do processo. O trabalho de Horn,

et al. (1997) descreveu um modelo para conveco transiente e mostrou a importncia na seleo

do ponto correto para medio da pasteurizao, para diferentes geometrias de vasilhames.

Zheng e Amano (1999) utilizaram dois mtodos para descrever o processo: o LPM (Lumped

Parameter Method), o qual descreve o processo como um todo (inclusive partes da mquina,

como tubos e trocadores de calor), alm do CFD (Computational Fluid Dynamics), empregando

8

o mtodo dos volumes finitos para calcular as transferncias de calor entre a mquina e os

vasilhames.

Kumar e Bhattacharya (1991) simularam a conveco natural dentro do casco durante

processos de pasteurizao e esterilizao, resolvendo as equaes de conservao de massa,

momentum e energia utilizando-se tambm do mtodo dos elementos finitos. No seu trabalho,

foi mostrado que o ponto de menor temperatura no vasilhame geralmente se encontra em uma

regio entre 10 e 12% da altura do vasilhame, a partir do seu fundo, o que est de acordo com os

padres de medio da pasteurizao pelas cervejarias.

1.3 ESCOPO E ORGANIZAO DESTE TRABALHO

De forma a facilitar a leitura e entendimento do trabalho, apresentado um breve

comentrio da estrutura do trabalho.

No captulo 1 apresentada a motivao da realizao deste trabalho bem como uma

reviso bibliogrfica englobando uma srie de trabalhos publicados sobre a pasteurizao de

produtos alimentcios j envasados, tanto no mbito computacional como experimental.

O captulo 2 descreve os fundamentos do processo de pasteurizao, desde seu

significado fsico-qumico, at o modelo matemtico para sua quantificao. Tambm

apresentado um histrico das mquinas pasteurizadoras de bebidas utilizadas na histria da

indstria cervejeira, bem como as caractersticas das mquinas atuais mais avanadas.

O captulo 3 onde est apresentado o problema a ser estudado. Neste captulo o

problema posto e discutido, levantando-se os principais fatores que o influenciam. Hipteses

preliminares so apresentadas e discutidas de forma a obter o modelo simplificado do

aquecimento dos vasilhames. A partir deste modelo introduzido o fator de correlao f o qual

permitir obter o coeficiente de transferncia global de calor do processo.

O captulo 4 mostra a metodologia que ser utilizada de forma a se obter o fator de

correlao para um determinado vasilhame. O fator ser basicamente obtido atravs de

experimentos laboratoriais com auxlio de uma bancada que reproduz as condies existentes em

pasteurizadores reais.

O captulo 5 mostra os resultados obtidos nos testes experimentais. Estes resultados so

analisados visando a obteno de um padro dos fatores de correlao, em funo do vasilhame

utilizado. Estes fatores alimentam o modelo terico, proposto no Captulo 3, e os resultados

calculados por este modelo so comparados com os resultados experimentais, visando o

9

fechamento deste equacionamento, o qual dever permitir calcular a temperatura e nvel de

pasteurizao de um vasilhame em qualquer ponto do processo.

O captulo 6 apresenta um estudo numrico para o aquecimento de um vasilhame, com o

objetivo de estudar a distribuio de temperaturas no seu interior, bem como analisar o

comportamento fluidodinmico e intensidade das correntes de conveco natural que se formam

em seu interior. Estas simulaes so realizadas atravs da utilizao de um cdigo comercial.

Algumas hipteses especiais so introduzidas no modelo numrico. Assim, para garantir que os

dados obtidos nestas simulaes possam ser considerados vlidos, alguns dos resultados

numricos so comparados com resultados experimentais.

O captulo 7 consolida as informaes obtidas para a formulao do modelo simplificado

e mostra o mesmo em funcionamento em uma mquina real, como comprovao prtica, tanto

qualitativa como quantitativa, dos resultados obtidos. So apresentadas as caractersticas

adotadas na mquina de forma a garantir um controle de pasteurizao adequado, bem como os

principais sistemas de controle e instrumentao que auxiliam o modelo a calcular o processo

com a preciso necessria.

Resultados do modelo simplificado e os valores dos coeficientes de correlao obtidos

so comparados com as curvas de pasteurizao obtidas na mquina real para a comprovao

efetiva dos resultados.

O captulo 8 apresenta os comentrios finais sobre o estudo realizado, de forma a analisar

se os objetivos foram atingidos, bem como apresentar sugestes para a otimizao do processo,

visando melhoria contnua das mquinas com controle de processo (focando a reduo dos

custos de produo e operao), alm de propor estudos futuros para complementar os resultados

aqui obtido, utilizando-se do modelo terico proposto.

10

2. PASTEURIZAO

Neste captulo so apresentados os fundamentos do processo de pasteurizao, desde seu

significado fsico-qumico, at o modelo matemtico para sua quantificao. Este estudo tem por

objetivo apresentar a real influncia da temperatura no controle microbiolgico. Esta associao

parte primordial deste trabalho, visto que todo o estudo de engenharia aplicado baseia-se nesta

relao.

Tambm apresentado um histrico das mquinas pasteurizadoras de bebidas utilizadas

na histria da indstria cervejeira, bem como as caractersticas das mquinas atuais mais

avanadas.

2.1 SOBRE A PASTEURIZAO

Pasteurizao a tcnica baseada em usar temperaturas elevadas com a finalidade de pelo

menos desativar alguns microrganismos, ou mesmo elimin-los e, com isso, controlar o nvel de

atividade bacteriolgico nos produtos, sem alterar profundamente suas propriedades (Sevilla

2004).

A pasteurizao consiste na aplicao de temperaturas e tempos relativamente baixos,

conseguindo um prolongamento moderado da vida til do produto em troca mantendo uma boa

conservao do seu valor nutritivo e das qualidades organolpticas do mesmo. um tratamento

trmico suave, em contraposio com a esterilizao, que um tratamento muito mais intenso.

Esta ltima tem por finalidade a eliminao completa dos microrganismos presentes nos

produtos, causando, como efeito colateral, uma profunda alterao em suas propriedades.

A pasteurizao deve promover a eliminao dos microorganismos patgenos, porm

apenas diminui os microorganismos alterantes, fazendo com que o processo confira ao produto

um efeito limitado. O processo possui diferentes objetivos dependendo do alimento que sofre o

processo (Gava 1998):

em alimentos cidos, como sucos de fruta, produz uma boa estabilizao j que o meio

cido impede a proliferao de microorganismos esporulados (os mais resistentes ao

trmica), respeitando as propriedades do alimento;

11

em alimentos pouco cidos, sendo o exemplo mais importante o leite, a pasteurizao

consegue a destruio da flora patgena e uma reduo da alterante, conseguindo um

produto de curta durao que deve ser conservado refrigerado, mas que possui

caractersticas muito prximas do leite cru.

A pasteurizao utilizada em grande parte dos produtos industrializados. Deve-se a

Louis Pasteur, cientista francs (1822-1895) que sistematizou, em sua poca, boa parte das

tcnicas sobre fermentao e controle de microrganismos (Ziemann-Liess Ltda 1985).

Nesta poca, a indstria vincola francesa se encontrava em crise devido a contaminaes

desconhecidas de seus produtos, causadas por lvedos e bactrias estranhas ao processo

fermentativo normal dos mostos de vinho. As primeiras aplicaes prticas das teorias de Pasteur

resolveram o problema. Seus resultados foram confirmados com o teste realizado no

carregamento de vinho do veleiro La Sibylle. A embarcao percorreu todo o globo e, no final da

viagem, notou-se que o produto no tinha se deteriorado.

Em 1870, Pasteur aplicou seu mtodo pela primeira vez na cerveja, tambm com

excelentes resultados. Pouco tempo depois, as cervejarias europias passaram a adotar a

pasteurizao como um processo padro em sua linha de produo. A pioneira neste quesito foi a

cervejaria Tuborg, de Copenhague. Ainda na dcada de 1880, houve a adoo deste processo

pela primeira vez pelas cervejarias na Amrica (Ziemann-Liess Ltda 1985).

Inicialmente os equipamentos eram rudimentares, usando cubas que, preenchidas com

garrafas e gua, permitiam a entrada de vapor por baixo. As prprias garrafas seguravam suas

rolhas com arames. Este processo tambm se estendeu a outros ramos da indstria alimentcia,

cada um aplicando-o da melhor forma para cada microrganismo presente em cada produto.

Nas ltimas dcadas, a evoluo ocorreu de forma mais intensa, graas ao crescimento da

bioqumica e pelo surgimento de instrumentos de pesquisa cada vez mais sofisticados, como o

microscpio eletrnico. As clulas comearam a ser profundamente analisadas. Assim, o efeito

da pasteurizao sobre estes elementos passou a ser mais bem explicado e compreendido.

O metabolismo da clula, isto , a srie de reaes qumicas no interior da clula por

meio das quais ela se alimenta e com isso ela pode sobreviver e se reproduzir, feito por reaes

enzimticos atravs dos chamados catalisadores biolgicos (constitudos de protenas). Estas

protenas, por sua vez, revelaram a presena de cidos complexos, como RNA e DNA, chamados

de portadores de vida, sempre constituintes de estruturas celulares mais complexas chamadas

nucleoprotenas (Ziemann-Liess Ltda, 1985 e Varnam e Sutherland, 1994).

12

Em cada uma delas residem sries de diferentes reaes, possuindo inclusive os

caracteres hereditrios das clulas, nos genes e cromossomas. Assim, o primeiro passo da

pasteurizao atuar sobre a estabilizao destas protenas, principalmente as secundrias,

tercirias e quaternrias: o que se convencionou chamar de desnaturao protica. Ao se atingir

a temperatura adequada do processo da pasteurizao, estes componentes sofrem em primeiro

lugar.

Outra atividade celular fundamental atingida pelo processo a respirao celular. A

respirao realizada atravs de processos fermentativos (reaes oxidativas) que permitem a

absoro de energia necessria manuteno da clula. Estas reaes ocorrem no nvel das

mitocndrias, componentes celulares sensveis a temperatura, pH, etc. (Ziemann-Liess Ltda,

1985 e Varnam e Sutherland, 1994). Esse processo oxidativo uma atividade vegetativa da

clula, que, por se sensvel temperatura, pode ser afetada tambm pela pasteurizao.

Tambm bastante conhecida a atuao das clulas sobre os acares, carboidratos,

gorduras e aminocidos, dando como resultado cido lctico e pirvico, dependendo apenas da

maior ou menor quantidade de oxignio presente no processo. Os carboidratos tambm so

destrudos pela aplicao da temperatura, diminuindo a quantidade de alimento para a clula.

Em resumo, a pasteurizao atua primeiro sobre os componentes mais importantes da

vida celular atravs da desnaturao protica (inativao dos microorganismos, impedindo sua

reproduo) e sobre a respirao celular (morte dos microorganismos).

2.2 PRINCIPAIS FATORES INFLUENTES

Se, por um lado, as temperaturas mais baixas limitadas apenas por seu aspecto

bacteriolgico dentro de um determinado tempo realizam uma boa pasteurizao, pode ento

parecer que temperaturas mais altas sejam a melhor soluo para o mesmo efeito bacteriolgico.

Dentro deste raciocnio, subindo cada vez mais a temperatura se obteria a mesma pasteurizao,

em um tempo menor. Este pensamento verdadeiro at certo ponto.

Focando sobre a cerveja, em altas temperaturas comeam a ocorrer outros fenmenos,

principalmente aceleradores de reaes qumicas e de processos fsico-qumicos, que podem

inutilizar o produto final. A pasteurizao permaneceria tambm ineficaz sobre os

microrganismos ditos termo-resistentes que suportam altas temperaturas, prximas da

esterilizao completa.

13

Visto que no objetivo da pasteurizao a eliminao completa dos microorganismos,

convm analisar os fatores para uma boa pasteurizao prejudicando o menos possvel o produto

a ser pasteurizado (Gava 1998):

Qualidade e quantidade dos microorganismos a destruir: com diferenas no s entre as

espcies, bem como entre as formas vegetativas e de resistncia (esporos). Deve-se saber

qual a resistncia trmica de cada grupo;

pH do produto: a acidez de um produto determina o processamento requerido. Em

alimentos com maior acidez, a pasteurizao pode ser mais suave, j que seu baixo pH j

elimina os esporos, no havendo a produo de toxinas;

Velocidade de penetrao do calor da periferia at o centro do vasilhame: influenciada

pela forma, tamanho, condutividade trmica do vasilhame e do produto. Ir determinar o

tempo que o vasilhame ir chegar at a temperatura desejada;

Temperatura e tempo de pasteurizao: quanto mais alta a temperatura ou mais longo o

tempo de pasteurizao, mais eficiente a destruio dos microorganismos. Porm, em

excesso, tambm mais eficiente a alterao do produto;

Temperatura inicial do produto: influi apenas no tempo que levar at o produto atingir

a temperatura de pasteurizao.

Estes itens devem ser estabelecidos para cada tipo de cerveja, tanto quantitativo quanto

qualitativamente, atravs de uma anlise bacteriolgica laboratorial. Com o conhecimento de

cada microrganismo, foi possvel determinar a temperatura que se chamou de letal porque a

partir deste patamar que os microrganismos so desativados em seu crescimento e

multiplicao. Buscou-se, ento, para cada microrganismo, sua temperatura letal.

2.3 PRINCIPAIS MICROORGANISMOS A SEREM ATACADOS PELA PASTEURIZAO

Como neste trabalho se esta estudando o fenmeno sobre a cerveja so apresentados os

principais microorganismos a serem atacados pela pasteurizao. Conhecendo estes

microorganismos, determina-se a temperatura padro de pasteurizao do produto. A relao de

14

microorganismos a serem atingidos avaliada partindo-se de cerveja com pH 4.4 e teor alcolico

de 3.2%, com mosto original de 10P (significa que 10% da massa da cerveja matria-prima),

tomando-se uma amostra de 10ml em um frasco de 15ml (esterilizado previamente) tudo

submergido em banho-maria de 10 a 15 minutos (Clerk 1958):

A) Lvedos destrudos a 50C

Saccharomyces cerevisiae lvedo puro de alta fermentao. As clulas novas so

redondas, ovais ou ovalides, tamanho de 3-7 x 4-14 micra. A temperatura limite para a

formao da clula de 30 a 40C. A temperatura tima para sua esporulao de 30C.

Saccharomyces carlsbergensis lvedo puro de baixa fermentao. As clulas novas so

ovais ou ovalides, de 3-5 x 7-10 micra.

Saccharomyces pastorianus lvedo silvestre. As clulas novas so ovais ou dilatadas 3-

7 x 4-15 micra. As temperaturas limite para a formao de clulas so de 0.5 a 34C. As

temperaturas para a formao de esporos esto nas zonas de 0.5 a 4C e 26.5 a 31.5C.

Esse lvedo silvestre perigoso, transmitindo um gosto desagradvel e amargo a d um

mau cheiro cerveja. Pode causar tambm turvao.

Hansenula anomala esse lvedo silvestre forma em pouco tempo uma delgada pelcula

cinza-opaca franzida. As clulas, tamanho 3-5 x 7-15 micra, tem forma de salsicha. O

microrganismo pode ser encontrado em fbricas de cerveja de baixa fermentao, em

quantidade reduzidas e inofensivas. A temperatura tima para a formao dos esporos,

em forma de cartucho, de 30C.

Mycoderma cerevisae lvedo silvestre. As clulas so ovais ou cilndricas, tamanho de

3-5 x 6.8 9.5 micra, apresentadas aos pares ou em correntes curtas. Esse lvedo forma

uma fina pelcula opaca lisa, que aparece nas adegas em tanques mal fechados. O

organismo atua sobre o lcool, porm no foram confirmadas influncias organolpticas

na cerveja, na cor ou no brilho.

Candida utilis lvedo silvestre produz grossas pelculas mucosas, inofensivas nas

cervejas de baixa fermentao.

15

B) Lvedos destrudos de 54-56C

Saccharomyces ellipsoideus lvedo de vinho, sendo silvestre para o cervejeiro. Clulas

elipsoidais, tamanho 3-6 x 6-11 micra. O lvedo forma uma pelcula e um anel sobre o

mosto. Na temperatura de 25C existe uma reduzida esporulao em aproximadamente

40 horas. Existem espcies que produzem at 17% de lcool.

Saccharomyces turbidans lvedo silvestre. As clulas novas so ligeiramente ovais ou

elipsoidais. A temperatura tima de esporulao de 29C. O lvedo pode causar

infeces perigosas nas cervejas de baixa fermentao, ocasiona turvao e mau sabor.

C) Bactrias destrudas a 50C

Pediococcus perniciosus e pediococcus sarcina ambos tipos so gram-positivos e

aparecem em forma de diplococcus e tetracoccus (sarcina) na cerveja, causando um sabor

desagradvel. As duas variveis anaerbias se desenvolvem facilmente no mosto e na

cerveja.

D) Bactrias destrudas a 54C

Acetobacter viscosum bactria causadora de viscosidade. Aparece mais nas cervejarias

de baixa fermentao.

Lactobacillus pastorianus bastonetes de cido lctico. So estreitos e Gram positivos. O

comprimento varia de 1-21 micra o bacilo aparece como unidade, aos pares ou em

correntes. O lactobacilo anaerobiano atua somente nas cervejas de alta fermentao,

transferindo um gosto repugnante ao ale.

E) Bactrias destrudas a 60C

Lactobacillus lindneri com as mesmas caractersticas do lactobacillus pastorianus.

Aparece unicamente em cervejarias de baixa fermentao, onde ocasiona turvao e mau

sabor na cerveja.

16

Em resumo, Clerk (1958) confirma que a 60C e durante 20 minutos de contato, criam-se

condies letais para os lvedos e bactrias, de uma forma geral. Por estas experincias, conclui-

se que no se acrescenta mais nada em termos de estabilidade biolgica para o produto trabalhar

com o pasteurizador em temperaturas mais altas que a indicada.

2.4 CONSEQNCIAS DE UMA M PASTEURIZAO

Quando um processo de pasteurizao no atingiu os requisitos mnimos para que seja

garantida a destruio dos microorganismos, diz-se que o produto sofreu uma subpasteurizao.

Porm, quando o produto permaneceu tempo demais na temperatura de pasteurizao, ou a

temperatura aplicada foi alta demais, se reconhece que o produto sofreu uma superpasteurizao.

Durante o processo de pasteurizao, a cerveja sempre sofre pequenas variaes de sabor,

aroma e cor. A cerveja tambm est mais sujeita alteraes em sua estabilidade coloidal (Clerk

1958), isto porque intrnseco bebida a presena de inmeras protenas na sua composio,

que possuem uma tendncia natural aglutinao. Por este motivo, so dosadas na cerveja

solues estabilizantes. Porm, superpasteurizaes fazem com que o oxignio que existe na

cerveja promova ou acelere reaes qumicas que quebrem esta estabilidade, alm da ocorrncia

de uma variao mais forte no sabor.

Cervejas mais aeradas tambm podem ter forte alterao de cor, tambm pelas reaes

com o oxignio. Alteraes de cor pronunciadas podem levar desconfiana do consumidor, j

que o produto no possui uma aparncia normal (Clerk 1958).

Outro fator a ser levado em conta a presso causada no interior do vasilhame devido

presena de gs carbnico. Os vasilhames so preenchidos sempre deixando um headspace

(espao livre) de 5 a 6% de seu volume. Em temperaturas muito altas ou se o vasilhame foi

preenchido com um volume maior, pode ocorrer a quebra do vasilhame no interior da mquina.

Quanto mais fria a temperatura inicial do produto, maior a rampa de aquecimento at

a temperatura de pasteurizao. Visando diminuir o tempo de aquecimento, pode-se pensar em

utilizar temperaturas mais altas do meio aquecedor (geralmente gua), o que pode provocar

choque trmico no vasilhame e sua conseqente quebra. O choque trmico deve ocorrer com um

valor que leve em conta o tipo do material e tamanho do vasilhame.

17

2.5 CINTICA DA MORTE TRMICA DE MICROORGANISMOS

As resistncias dos microorganismos causadores da deteriorao da bebida juntamente

com a velocidade da transferncia do calor no interior do vasilhame constituem os principais

fatores que determinam a durao de um processo trmico (Gava 1998).

Conforme descrito na seo 2.4, a destruio dos microorganismos pelo calor devida

coagulao de suas protenas e, especialmente, inativao dos sistemas enzimticos necessrios

ao metabolismo. Existe uma srie de fatores que influenciam na termo-resistncia dos principais

microorganismos, como levedura, mofos e formas vegetativas de algumas bactrias, dos quais

podem-se citar:

Do organismo: influenciam fatores como tipo dos organismos a ser atacado, nmero de

clulas ou esporos, condies de crescimento e idade;

Do ambiente: em geral, se pode dizer que para a pasteurizao convm trabalhar a altas

temperaturas e pH baixos. Com pH abaixo de 4.5 as bactrias no crescem, o que permite

que os tratamentos trmicos possam ser mais suaves. O pH neutro o que mais favorece

a resistncia trmica da maioria das bactrias. A combinao tempo-temperatura de

pasteurizao mantm uma estreita relao com o pH da bebida a ser processada (Tabela

2.1);

Tabela 2.1. Faixas de pH relativas s taxas de reproduo dos microorganismos (Gava 1998).

Intervalos de pH para o crescimento de distintos microrganismos

Intervalos de pH

Microrganismo Crescimento Crescimento timo

Bactrias 4.5 8.5 4.5 7.5

Fungos 3.0 8.5 5.0 7.0

Leveduras 2.5 8.5 4.0 5.0

Composio da Bebida: a composio da bebida tambm influncia na resistncia dos

organismos. Presena de sal, acar e gorduras parecem dar uma melhor proteo

trmica;

18

Natureza do Calor: o calor dito mido um agente bactericida mais potente que o calor

seco. de conhecimento que a transferncia de calor por um meio com certo grau de

umidade age na coagulao das protenas dos organismos, tendo se mostrado mais eficaz

que a transferncia por um meio seco, onde a morte por calor se d por um processo

oxidativo das clulas. Como em lquidos envasados, como a cerveja, o calor transmitido

pelo prprio lquido em processo, obtm-se a ocorrncia de morte trmica por aplicao

de calor mido.

2.5.1 Curva de Sobrevivncia Trmica

comprovado que a cintica da morte trmica pode ser ajustada para uma equao

diferencial de primeira ordem (Sevilla, 2004 e Buzrul, 2006):

D

dNK N

dt

(2.1)

onde N o nmero de microorganismos vivos, t o tempo de processo e KD a constante da

morte trmica de um dado organismo (ou conjunto de organismos) uma dada temperatura. A

Figura 2.1 mostra uma expresso grfica da equao (1):

Figura 2.1. Morte trmica dos microorganismos a uma dada temperatura.

Rearranjando os termos da equao (2.1):

DdN

K dtN

(2.2)

19

Integrando a equao (2.2) ao longo do tempo:

0 0

N N t t

DN N t

dNK dt

N

(2.3)

0

ln DN

K tN

(2.4)

onde N0 o nmero inicial de microorganismos presentes na bebida. KD invariante com o

tempo. Reescrevendo a equao (2.4) em funo de N, obtm-se:

0

DK tN N e

(2.5)

A literatura mostra que a morte trmica dos organismos possui comportamento similar a

um decaimento exponencial, assim a equao se ajuste bem ao processo (Sevilla 2004, Gava

1998 e Buzrul 2006).

Com a concepo logartmica dada pela equao (2.4), se pode traar a curva de

sobrevivncia trmica (Survivor Curve ou Thermal Destruction Curve). a representao

grfica que coloca na ordenada, em escala logartmica decimal, o nmero de clulas vivas N, e

na abscissa o tempo decorrido de processo:

Figura 2.2. Curva de Sobrevivncia Trmica (Sevilla 2004).

20

A inclinao da curva igual a 2,3DK . Este valor chamado de tempo de reduo

decimal D, que representa o tempo necessrio para que a populao de microorganismos se

reduza a 10% da populao inicial. Esta declividade encontrada na mudana de logaritmo

natural para logaritmo decimal na equao (2.4):

0100

log

loglog 10 2,3

e

D

e

N

N K tN

N

(2.6)

10

0

2,3log DN

K tN

(2.7)

Fazendo t D e 0 0,1N N , conforme definio do tempo de reduo decimal:

10log 0,12,3 2,3

D DK KD D

(2.8)

onde D a inclinao da reta na curva de destruio trmica da Figura 2.2.

2.5.2 Relao entre Constante de Morte Trmica e Temperatura

importante ressaltar que a constante de morte trmica KD depende dos fatores citados

anteriormente, como pH, tipo de organismo, composio da bebida, entre outros.

Porm, para um mesmo produto e conjunto de microorganismos, o fator KD possui forte

dependncia com a temperatura. Assim, quando se varia a temperatura de processo, tambm

varia a curva de sobrevivncia trmica, visto que em temperaturas maiores a velocidade de

destruio tende a ser maior. Este fenmeno mostrado na Figura 2.3.

21

Figura 2.3. Dependncia da curva de sobrevivncia trmica com a temperatura.

Pela definio de pasteurizao, se deduz que quanto maior a temperatura, maior a

intensidade do processo. Assim, a inclinao da curva aumenta com o aumento da temperatura.

A relao matemtica entre KD e a temperatura dada pela equao de Arrhenius (Clark 2002):

Ea

RTDK K e

(2.9)

A equao de Arrhenius relaciona a dependncia da velocidade de reaes qumicas com

a temperatura. Da equao (2.9), K um fator pr-exponencial e inclui fatores como freqncia

de colises das molculas, entre outros. Seu valor medido em laboratrio e possui a unidade de

1s . Ea a energia de ativao da reao e R a constante universal dos gases. Aplicando o

logaritmo natural na equao (2.9):

ln ln lnDEa

K KRT

(2.10)

Como a inclinao da curva de sobrevivncia trmica 2,3 DD K , pode-se escrever a

equao 2.10 como (Sevilla 2004):

2,3 2,3

ln ln lnEa

D D RT

(2.11)

22

2,3 2,3

ln ln lnEa

D D RT

(2.12)

2,3

ln ln2,3

EaD

RTD

(2.13)

Aplicando o exponencial na equao acima:

2,3

2,3

Ea Ea

RT RTDD e eD

D

(2.14)

Ea

RTD D e (2.15)

A equao (2.15) possui a mesma forma da equao de Arrhenius e tambm uma

relao de velocidade de reao qumica com a temperatura, porm escrita em funo do tempo

de reduo decimal. O fator D o mesmo fator pr-exponencial, porm aqui escrito e forma a

demonstrar que a equao est baseada no tempo D.

2.5.3 Curva de Resistncia Trmica

A Curva de Resistncia Trmica (Thermal Resistance Curve ou Phantom Death Time

Curve) reflete a resistncia relativa dos microorganismos a diferentes temperaturas.

Figura 2.4. Curva de Resistncia Trmica.

23

No eixo das ordenadas est a escala logartmica do tempo de reduo decimal D,

enquanto nas ordenadas est a temperatura. O fator z representa o nmero de graus Celsius que a

temperatura deve aumentar (em relao temperatura de referncia inicial - TREF) para que o

tempo D se reduza dcima parte do valor inicial (DRED). Do grfico acima, se estabelece que:

log log 1RED

REF

D D

T T z

(2.16)

Onde 1 z a inclinao da curva. Isolando D na equao 2.16, obtm-se:

log REF

RED

T TD

D z

(2.17)

10REFT T

zREDD D

(2.18)

A equao (2.18) e a equao (2.15) fornecem o comportamento completo do tempo de

reduo decimal D e permite relacionar a influncia das propriedades qumicas envolvidas com a

variao da temperatura de processo.

Porm, estes estudos se concentram no campo da microbiologia. Neste trabalho, o

importante a obteno de um fator que traduza de forma direta a intensidade da pasteurizao

em relao temperatura da bebida em questo. Para alcanar uma forma mais compacta,

reescreve-se a equao (2.18) da seguinte forma:

10REFT T

z

RED

DL

D

(2.19)

onde L o ndice de letalidade do processo trmico, ou seja, ao aumentar ou diminuir a

temperatura T (em relao temperatura de referncia), o quanto ir variar a velocidade da

reao qumica, representada na equao pela variao do tempo de reduo decimal.

O ndice de letalidade bastante utilizado em alimentos de forma geral, porm em

bebidas, como a cerveja, costuma-se utilizar a expresso Unidades de Pasteurizao (UP), que

pode ser escrita como:

24

10REFT T

zdUP

Ldt

(2.20)

Integrando a equao 2.20 em relao ao tempo, para uma temperatura constante:

10REFT T

zdUP dt

(2.21)

10REFT T

zUP t

(2.22)

Assim, a Unidade de Pasteurizao (UP) quantifica a ao do processo de pasteurizao

como funo da temperatura que est ocorrendo o processo e durante quanto tempo ele esta

ocorrendo. O ganho de UP pode ser alcanada atravs da aplicao de maiores temperaturas

(maior intensidade do processo) ou tempo de processamento maiores (maior tempo da ao

destrutiva).

As Unidades de Pasteurizao representam o processo de pasteurizao variando de

forma exponencial com a temperatura (pela equao cintica de primeira ordem apresentada e

pela equao de Arrhenius) e, como a concepo da UP logartmica, sua variao linear com

o tempo, conforme a curva de sobrevivncia trmica.

Conforme Clerk (1958), para a cerveja o valor de z de 6,94 e a temperatura de

referncia TREF de 60C (j que o microorganismo mais resistente atacado a 60C). Assim a

equao (2.22) fica:

60

6,9410

T

UP t

(2.23)

601,393TUP t (2.24)

As unidades de pasteurizao devem sempre ser medidas no ponto mais frio do lquido

no interior do vasilhame, pois, se neste ponto a quantidade de UP satisfeita, no restante do

lquido tambm estar. Na maioria dos documentos sobre pasteurizao, o ponto mais frio

chamado de Cold Spot. Assim, pode-se obter uma escrita final para a equao (2.24) da seguinte

forma:

60

1,393 CST

UP t

(2.25)

25

onde TCS a temperatura no ponto frio. A equao 2.25 trabalha com a temperatura T em graus

Celsius e o tempo t em minutos. Seu comportamento mostrado no grfico abaixo (com os

valores para cerveja):

Figura 2.5. Comportamento da taxa de ganho das Unidades de Pasteurizao (UP/min).

2.6 HISTRICO SOBRE MQUINAS DE PASTEURIZAO

Desde o incio do sculo XX, j existiam formas de aquecer conjuntos de vasilhames de

bebidas e mant-los durante certo tempo na temperatura de pasteurizao (Clerk 1958).

Devido s limitaes impostas pelo vidro quanto sua resistncia ao choque trmico, os

vasilhames sempre devem passar por aquecimentos graduais at a temperatura de pasteurizao

e, depois do tempo de processo decorrido, devem ser resfriadas lentamente de forma a que no

final as garrafas estejam com nveis de temperatura que permitam seu manuseio pelos operadores

das mquinas.

Como no incio do sculo passado os nveis de produo industrial eram muito baixos em

comparao aos nveis atuais e grande parte das cervejas no eram pasteurizadas (j que grande

parte do consumo era local, no havendo necessidades de durabilidade em longos traslados ou

em estoques), as cervejarias utilizavam tanques de gua aquecidos por vapor.

Este mtodo se baseava na imerso dos vasilhames em tanques dotados de serpentinas de

vapor, que aqueciam a gua deste tanque de forma lenta at a temperatura de 60C e assim

mantidos por um perodo de aproximadamente 20 minutos. O resfriamento da gua do tanque

ocorria com a circulao de algum fluido refrigerante atravs da serpentina.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

54 56 58 60 62 64

Taxa

de

Gan

ho

de

UP

/min

Temperatura (C)

26

Durante as primeiras cinco dcadas do sculo passado, as mquinas chamadas de

pasteurizadores de cestos eram as mais utilizadas e operavam com o conceito acima descrito.

Eram assim chamadas pois transportavam os vasilhames em cestos metlicos, similares s atuais

caixas de cerveja.

Havia, basicamente, dois tipos de pasteurizadores de cestos: o tipo Gasquet e o tipo

Americano (Clerk 1958).

A) Tipo Gasquet

A mquina Tipo Gasquet consiste em compartimentos separados por chapas defletoras,

por onde a gua circula graas a uma bomba, instalada na frente da mquina. Normalmente so

dez compartimentos, onde entre cada um h injeo de vapor em serpentinas de forma a aquecer

a gua quando esta passa para um novo compartimento. A Figura 2.6 ilustra esta situao.

Figura 2.6. Vista lateral esquemtica de um Pasteurizador de Cestos tipo Gasquet. As injees de

vapor nas serpentinas esto ilustradas pela tubulao A.

O funcionamento do processo da mquina bastante simples. Um primeiro lote de

garrafas imerso no compartimento 1. A bomba de recirculao faz com que a gua do

compartimento 1 passe para o 2 e, nesta passagem, tenha um ganho de temperatura pela

serpentina de vapor. As garrafas imersas no tanque 1 passam para o tanque 2, e um novo lote

abastece o tanque 1.

O processo acontece sucessivamente at o compartimentos 5 e 6, que possuem a

temperatura de pasteurizao e o tempo de imerso nestes tanques equivalem ao tempo de

pasteurizao.

O processo segue da mesma forma do tanque 7 at o 10 (Figura 2.7), porm nestes a gua

dos compartimentos passa por serpentinas de gua fria (ou fluido refrigerante) que ir permitir

27

um resfriamento gradual dos cestos de vasilhames. Os cestos so colocados em transportadores

metlicos e seu carregamento e descarregamento so manuais.

Figura 2.7. Vista superior esquemtica de um Pasteurizador tipo Gasquet. (A) injees de vapor

nas serpentinas; (B) injees de gua fria (ou fluido refrigerante); (C) bomba de recirculao.

B) Tipo Americano

Tambm conhecido como Pasteurizador Tipo Cesto Lquido, possui um sistema mais

simples, utilizado com maior freqncia por pequenas indstrias. Os cestos so simplesmente

suspensos em uma corrente sem fim, a qual carrega os cestos por diferentes compartimentos.

A mquina possui apenas trs compartimentos, sendo que apenas o compartimento

central aquecido at a temperatura de pasteurizao. Para obter um aquecimento e resfriamento

gradual, gua fria adicionada no compartimento de resfriamento (sada) na mesma proporo

do volume das garrafas nos cestos que saem da mquina. Este tanque est comunicado com o

compartimento de aquecimento (entrada), mantendo uma temperatura intermediria em ambos os

tanques. Aquecimento s aplicado para compensar as perdas do sistema.

O aquecimento e resfriamento no possuem vrios nveis de patamares, por isso, o

movimento da corrente transportadora lento, para que a garrafa no sofra choque trmico ao

entrar no compartimento temperatura de pasteurizao.

Nesta mquina, tambm o carregamento e descarregamento so manuais. Um desenho

esquemtico do processo do pasteurizador tipo americano mostrado na Figura 2.8.

28

Figura 2.8. Pasteurizador de cestos tipo americano. (1) Entrada da mquina; (2) Zona de

Pasteurizao; (3) Sada da mquina.

C) Pasteurizadores Tipo Tneis

Os pasteurizadores tipo Gasquet e tipo Americano foram descontinuados no incio da

dcada de 50. O conceito que os substituiu o pasteurizador tipo tnel. Basicamente, os

vasilhames (sem cestos) passam atravs de um longo tnel onde esguichada gua em seu

interior. A mquina possui diversos tanques (denominadas zonas) a diferentes temperaturas,

fazendo com que a gua de molhamento fornea ao processo aquecimento e resfriamento

gradual.

Este conceito permitiu a pasteurizao em grande escala, tornando-se o modelo

dominante em praticamente todas as cervejarias do mundo. Seu sucesso evidenciado at hoje,

pois o conceito bsico permanece o mesmo nas mquinas modernas. A Figura 2.9 mostra uma

ilustrao de um pasteurizador tipo tnel.

29

Figura 2.9. Diagrama de pasteurizador tipo tnel de Barry-Wehmiller (Clerk 1958).

Na Figura 2.9 mostrado que cada zona composta por um tanque com gua a uma

determinada temperatura e uma bomba que pressuriza a gua em um sistema de esguichos que

molham as garrafas. Esta gua, em contato direto com os vasilhames, garante-se o aquecimento e

um resfriamento gradual. Os tanques so aquecidos por injeo direta de vapor em cada tanque.

As primeiras mquinas possuam um controle manual da temperatura dos tanques, com

termmetros, onde os operadores da mquina dosavam mais ou menos vapor, conforme

necessrio.

A mquina que surgiu nos anos 50 foi concebida pela empresa Barry-Wehmiller, dos

Estados Unidos, depois lanada na Europa pela empresa alem Holstein-Kappert (Ziemann-Liess

Ltda 1985). Estas primeiras mquinas possuam alimentao e descarga automticas e eram

conduzidas atravs do tnel por um sistema conhecido como walking beams (conhecido

tambm como passo peregrino), conforme esquema da Figura 2.10 e 2.11.

Figura 2.10. Esquema bsico do movimento da garrafa - sistema walking beams (Ziemann-

Liess, 1985).

30

Atravs deste processo, a garrafa s pode se deslocar para frente. Para melhor

entendimento, a Figura 2.10 possui setas indicando os principais movimentos. Sua

movimentao sugere quatro posies:

1) Retorno: volta da barra mvel, sem tocar na garrafa;

2) Subida: suspendendo a garrafa;

3) Avano: deslocamento da garrafa frente (pela Figura 2.10, o avano de 120mm);

4) Descida: abaixando a garrafa at os apoios fixos.

Figura 2.11. Apoios fixos e apoios mveis para o avano das garrafas (Ziemann-Liess, 1985).

O acionamento do sistema realizado por uma unidade hidrulica, que bombeiam o

fluido para cilindros que executam o movimento do sistema. A unidade hidrulica est localizada

fora da mquina e se encarrega do bombeamento de leo atravs de motores eltricos ou

bombas. So quatro cilindros, dois de cada lado, montados na sada da mquina, conforme

Figura 2.12.

Figura 2.12. Cilindros atuadores do movimento descrito na Figura 2.10.

31

Da Figura 2.12, define-se a estrutura A de suporte das vigas mveis, B o tirante de

regulagem que efetua a subida e descida do sistema sobre o plano inclinado C. Esta figura

permite observar com maior clareza os quatro movimentos descritos. A seqncia dos

movimentos detalhada na Figura 2.13.

Figura 2.13. Movimentao dos pistes e o movimento relativo da garrafa.

Os primeiros tneis pasteurizadores sofriam de alguns males, especialmente quanto

durabilidade das chapas de ao carbono e da falta de preciso do controle de temperatura de cada

tanque. Alm disto, o sistema de walking beams tornava o equipamento excessivamente

32

pesado. Os pistes que impulsionam o sistema trabalham com cargas muito altas, o que gerava

tambm altos custos com manuteno.

D) Evoluo dos Pasteurizadores Tipo Tnel

Relativo construo mecnica, os pasteurizadores tipo tnel passaram por importantes

evolues. As duas mais importantes so a modificao do sistema de avano e o material de

construo da mquina.

Os atuais sistemas de avano dos vasilhames utilizam esteiras acionadas por engrenagens

acopladas a um eixo, acionado, por sua vez, por moto redutores. Este sistema, alm de aliviar

enormemente o peso da mquina, simplificou toda sua concepo mecnica, auxiliando tambm

na sua confiabilidade e reduzindo os custos com manuteno (ver Figura 2.14).

Figura 2.14. Parte frontal de um tnel pasteurizador em ao inoxidvel, com acionamento por

motoredutores planetrios (Ziemann-Liess Ltda).

Controle Do Processo de Pasteurização Em Cerveja Envasada

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