XXXIII ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO
A Gestão dos Processos de Produção e as Parcerias Globais para o Desenvolvimento Sustentável dos Sistemas Produtivos
Salvador, BA, Brasil, 08 a 11 de outubro de 2013.
A GESTÃO DE PROCESSOS COMO
ALTERNATIVAS PARA PROCESSOS DE
SECAGEM DE TOMATE
Aline Jorge (UTFPR )
[email protected]
Evaldo Toniolo Kubaski (UTFPR )
[email protected]
Denise Milleo Almeida (UTFPR )
[email protected]
Sergio Mazurek Tebcherani (UTFPR )
[email protected]
A Gestão de Processos é uma ferramenta de Gestão de Tecnologia
utilizada no setor industrial, com o intuito de conhecer e monitorar os
processos para o aproveitamento energético, redução de custo e
aumento de produtividade para a indústria.. A secagem de alimentos
tem como característica o elevado consumo energético e longo
períodos de processo, geralmente usado para agregar valor a produtos
alimentícios, como é o caso da desidratação de tomate, por se tratar de
produto com elevado teor de umidade. O presente estudo teve como
objetivo comparar três tipos de processo de secagem de tomate em
relação ao tempo e o consumo energético. Os tomates foram
submetidos à secagem em estufa convencional, com fluxo de ar
aquecido e por liofilização e, os consumos energéticos obtidos foram
de 62,4 kWh, 39,51bkWh e 156,414 kWh, tendo como consumo
energético para produzir 1 kilograma de tomate seco 635,11kW,
343,56 kW e 2139,73, respectivamente. O método em fluxo de ar
aquecido apresentou menor gasto de energia e custo por quilograma
de tomate desidratado.
Palavras-chaves: Secagem consumo energético
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A Gestão dos Processos de Produção e as Parcerias Globais para o Desenvolvimento Sustentável dos Sistemas Produtivos
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A gestão de processos como alternativas para processos de secagem de tomate
1. Introdução
A gestão de um processo é realizada a partir de um mapeamento de todas as ações que o
compõe, sendo necessário o conhecimento de todas as atividades e características, com
objetivo de medir e quantificar o processo.
Chou et al. (2000) afirmou que qualquer que seja o foco de interesse da indústria, é possível
variar as condições de operação que resultem em produtos de alta qualidade, como a redução
do consumo energético.
Entre os processos de operação com alto consumo energético está a secagem de produtos
alimentícios, que pode ser definida como a aplicação de calor sob condição controlada, para
remover a maior parte da água presente no alimento por evaporação. No entanto, existem
métodos que não há aplicação de calor no produto, como a liofilização (OETTERER et al.,
2006), mas requerem energia para o desenvolvimento do processo.
Os processos de secagem de alimentos geralmente são demorados, não sendo indicado o uso
de temperaturas acima de 75 ºC, pois podem causar perdas e alterações nutricionais,
conduzindo a mudanças nas características de cor, sabor e textura dos produtos. Nesse
sentido, os processos convencionais de secagem em alimentos requerem maior tempo de
exposição do produto ao calor e, como consequência há um elevado consumo energético com
aumento do custo final para o consumidor.
Considerando estes aspectos tornam-se necessários estudos sobre a gestão de processo de
secagem, para redução do tempo de processo e do consumo energético, gerando maior
produtividade e lucratividade para a indústria.
Esse trabalho tem como objetivo comparar três tipos de processo de secagem de tomate em
relação ao tempo e o custo do consumo energético.
1.1. Características dos diferentes processos de secagem
Entre os métodos de conservação de alimentos está a secagem, com intuito de reduzir a
deterioração, perda do valor nutricional e comercial do produto (SOARES et al., 2001). De
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acordo com Fellows (2006), o objetivo da secagem é prolongar a vida de prateleira dos
alimentos por meio da redução da atividade de água, promovendo a inibição do crescimento
microbiano. No entanto, a temperatura de processamento costuma ser insuficiente para
provocar a inativação da atividade enzimática.
A redução no peso e no volume do alimento desidratado diminui os custos de transporte e
armazenamento. Para alguns alimentos a desidratação oferece um produto conveniente para o
consumidor ou ingredientes facilmente manuseados para os processadores de alimentos
(FELLOWS, 2006).
Está ficando aparente que o consumo de energia na secagem industrial é relativamente alto.
Vários setores da indústria consomem quantidades de energia variadas nos seus processos de
manufatura (KOWALSKI; PAWLOWSKI, 2011). Segundo Dyer et al. (2008), uma grande
quantidade de energia é requerida mundialmente pelo setor industrial, o que resulta em
consumo de recursos naturais e além disso reflete no preço dos produtos e serviços oferecidos
pela indústria tanto alimentícia quanto de qualquer outro setor.
Muitas frutas e vegetais podem ser desidratados. Um dos aspectos mais importantes da
secagem industrial é prever o comportamento da secagem e aumentar a eficiência do
processo. A taxa de secagem, estabilidade no armazenamento, características de reidratação e
mudanças de qualidade dependem do tipo de secador, parâmetros do processo e também do
pré-tratamento (YUCEL et al., 2010).
Os níveis de alteração da qualidade durante o processo de secagem de alimentos são
fortemente dependentes da temperatura, do tempo e do conteúdo de umidade (VIEIRA et al.,
2012), no entanto, seus parâmetros não têm significado físico, e consequentemente, não
oferecem uma visão apurada dos processos importantes que ocorrem durante o fenômeno,
embora descrevam as curvas de secagem para determinadas condições experimentais
(MARTINAZZO, 2007). Alterações de qualidade do produto final podem ser entendidas
como a degradação de nutrientes, modificações químicas e alterações sensoriais no aroma, cor
e sabor do produto que será desidratado, mudanças, essas, que não podem ser representadas
através de uma curva de secagem.
Do ponto de vista energético, a secagem ótima toma lugar quando a energia fornecida ao
secador combina com a energia para evaporação da água em qualquer instante. Uma das
soluções técnicas para aprimorar a secagem é baseada em fornecimento de energia térmica
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que varia periodicamente com o tempo, projeto do secador ou pela operação (KOWALSKI;
PAWLOWSKI, 2011).
Nas operações de desidratação existem dois estágios de perda de umidade, primeiro a fase em
que a água é evaporada e depois a água evaporada vai ser extraída. Para Javanmard et al.,
(2010) através do procedimento de secagem altos níveis de energia são consumidos e isso é
porque as operações de remoção da umidade do material são de elevado consumo de energia.
1.2. Secagem em estufa
Tradicionalmente, frutas e vegetais são desidratados à luz do sol. Em sistemas de secagem
rústicos, que não exigem instalações elétricas para o seu funcionamento. Contudo, Doymaz
(2011) afirma que a luz do sol é dependente do clima, afetando a homogeneidade e qualidade
do produto final. Além disso, os produtos são expostos aos microrganismos e outros
contaminantes. Para superar esses problemas os secadores industriais devem ser usados.
O tipo de secador mais simples é o secador de bandeja, ou estufa de secagem. O secador de
bandeja é uma câmara onde o material a ser seco é colocado em bandejas ou tabuleiros. É
uma unidade de operação descontínua, usada para operações em pequena escala (FOUST et
al., 1982).
A secagem com ar quente implica um tratamento térmico e a degradação térmica de
polifenóis é esperada, mas a decomposição de polifenóis proveniente depende da matriz do
alimento e das condições de processo. Além disso, este processo aumenta ou elimina a
atividade antioxidante dos vegetais dependendo da natureza ou substrato (MRKIC et al.,
2006).
As desvantagens da desidratação convectiva nos produtos de agricultura usando fluxo de ar
quente incluem: considerável consumo de energia térmica, período de operação relativamente
longo, bem como uma qualidade ruim e encolhimento do produto desidratado (MONTEVALI
et al., 2011).
1.3. Liofilização
A liofilização permite que o alimento seja desidratado, sem que haja reações típicas de
deterioração ou perda de qualidade por ação de enzimas que alteram a cor, aroma ou o próprio
valor nutritivo (SANTOS, 1998).
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Para Fellows (2006), a liofilização é a operação comercialmente mais importante e é usada
para secar alimentos caros que têm aromas e texturas delicados, pelos quais os consumidores
estariam dispostos a pagar por uma qualidade superior.
O processo de secagem por congelamento, ou por liofilização tem seu custo elevado, devido
ao fato de elevado consumo energético que é relatado por Liu et al. (2012), onde afirmou-se
que a energia constitui o fator de maior custo, o que é composta pela energia necessária para a
sublimação e também de dessorção (fenômeno pela qual a umidade é liberada através da
superfície), bem como a energia para suportar o vácuo e a refrigeração. De acordo com o
relatado por Viera et al. (2012) seu custo é expressivamente maior quando comparado aos
produtos secos por outras técnicas, necessitando-se, assim, de pesquisas que minimizem os
custos operacionais, ofertando, dessa maneira, produtos a um preço competitivo.
De acordo com o Kowalski e Pawlowski (2011), na maioria dos casos, a abordagem mais
eficiente para a intensificação da secagem é fazer a combinação de várias técnicas como, por
exemplo, secagem convectiva combinada com microondas e secagem infravermelha e outros.
O maior problema da liofilização é o custo elevado, quando comparado com outros métodos,
pois o equipamento utilizado necessita manter baixas a temperatura e a pressão (SANTOS,
1998). No entanto, Ratti (2001) afirma que a secagem por congelamento a vácuo é o melhor
método para remoção da água em alimentos com qualidade elevada em comparação com
outros métodos para desidratação de alimentos, considerando que, conforme as afirmações de
Fellows (2006) e Montevalli et al. (2011) de que elevadas temperaturas alteram a qualidade
nutricional e sensorial dos produtos.
Vieira et. al (2012), afirma que a qualidade final do produto, considerando-se os aspectos
nutritivos e sensoriais, também deve ser investigada para garantir alimentos seguros e
nutritivos aos consumidores.
1.4. Sistema de secagem por fluxo de ar aquecido
Neste processo o sistema é fechado e a ventilação de ar forçado suga o ar através do
purificador de ar, que consiste num sistema de filtro (acoplado no item de ventilação). O ar
segue por uma tubulação de conexão, através da ventilação de ar forçado, para uma câmara de
aquecimento (NOGUEIRA et al., 2010).
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A câmara é capaz de aquecer o ar até a temperatura desejada e pode ser controlada por um
sistema de termopar inserido dentro da câmara. Outro termopar é inserido próximo à peneira
onde estão dispostas as amostras. O aquecimento o ar promove a esterilização do mesmo que,
quando passa através do produto, não causa a contaminação do mesmo (NOGUEIRA et al.,
2010).
A secagem é um processo que normalmente envolve o uso de temperaturas elevadas, que
podem provocar a degradação e a oxidação de alguns nutrientes (TONON, 2006). Esse
processo pode causar degradação tanto na qualidade sensorial quanto no valor nutricional do
alimento.
De acordo com Nogueira et al. (2010) , a melhor operação unitária para desidratação consiste
em realizar a secagem utilizando ar quente. O tempo de secagem varia conforme a quantidade
de vapor de água presente no ar, temperatura do ar, a quantidade de água no alimento,
composição, tamanho dos cortes, quantidade de alimento colocada no secador.
2. Material e métodos
2.1. Material
Foram utilizados neste trabalho tomates da variedade Santa Clara, adquiridos na feira do
produtor no município de Ponta Grossa – Paraná.
2.2 Métodos
2.2.1. Processamento da matéria prima
Os frutos foram adquiridos no estado de maturação comercial (3/4 da superfície vermelha),
lavados e submersos em 1 L de água gelada, com 150 ppm hipoclorito de sódio por 20
minutos a 4ºC±1ºC. Os frutos foram cortados em quatro partes e as sementes retiradas.
2.2.2. Processamentos de secagem
Foram realizados três processamentos de secagem para produção de tomate em pó, ou seja,
em estufa convencional, pelo método por fluxo de ar aquecido e por liofilização, em escala de
bancada.
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2.2.2. Secagem em estufa convencional
Os tomates cortados foram dispostos sob grades, com a pele voltada para o lado de baixo e
colocadas em estufa convencional com circulação mecânica de ar (Fanem, 320-SE) a
temperatura de 70 ºC ± 2ºC por 24 horas.
2.2.3. Secagem por fluxo de ar aquecido
O equipamento teve como finalidade, inicialmente, realizar a secagem do bagaço e resíduos
provenientes da indústria da maçã (NOGUEIRA et. al., 2010), porém o estudo realizado neste
artigo tem como objetivo testar e avaliar as vantagens da utilização desse processo para a
secagem de tomate.
A secagem por fluxo de ar aquecido foi realizada segundo processo desenvolvido por
NOGUEIRA et al. (2010). Os tomates foram colocados sob a peneira dentro da câmara do
equipamento, onde permaneceu sob o fluxo de ar aquecido por 18 horas (Figura 1).
O sistema de secagem proposto é baseado na invenção e compreende de um equipamento para
secagem através do arraste de vapor esterilizado em temperatura controlada proporcionando
uma redução significativa no tempo e no custo de secagem quando comparado com o método
convencional em estufa (NOGUEIRA et al., 2010). A circulação forçada de ar aquecido
através do produto promove o arraste da umidade presente no produto de maneira mais rápida
e eficiente, resultando em redução do tempo nos processos de secagem de frutas e hortaliças.
O sistema é hermeticamente fechado, e o ar aquecido é distribuído através da peneira,
atravessando o produto a ser desidratado, de maneira homogênea.
O esquema do secador com fluxo de ar aquecido pode ser visualizado conforme a Figura 1,
onde é indicada a entrada do ar, que é aquecido em um forno aquecedor. O sistema possui 2
controladores de temperatura, o controlador 1 (número 4 na figura) que controla o
aquecimento e mantém a temperatura pelo tempo programado necessário, o aquecimento
cessa quanto o tempo programado no controlador termina. O controlador 2 (número 5 na
figura), é um termostato inserido próximo a peneira onde são dispostas as amostras para fazer
o controle de temperatura na amostra, já que esta temperatura não deve exceder 70 ºC.
Figura 1: Sistema de secagem por fluxo de ar aquecido.
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2.2.4. Secagem por liofilização
Os quartos de tomate foram colocados em copos de polietileno, cobertos com papel alumínio
e mantidos em ulltrafreezer (Liotop, UFR30), por período de 24 horas em temperatura de -50
ºC±1ºC. As amostras congeladas foram colocadas no Liofilizador (Liotop, L101)
permanecendo por períodos de 72 horas.
2.2.5. Cálculo energético dos processos de secagem
O consumo energético dos métodos de secagem foi determinado por meio de cálculos
matemáticos, utilizando balanço energético e desconsiderando a energia dissipada (Equação
1).
Consumo energético (CE)=Σ Potência do equipamento X horas de funcionamento (Eq.1)
Os resultados foram calculados segundo o consumo energético total de cada processo, sendo
considerada a potência total do equipamento, a relação com o tempo de funcionamento,
capacidade de cada equipamento e o custo da energia elétrica no estado do Paraná
(Companhia Paranaense de Energia Elétrica (COPEL), sendo o valor tabelado para o ano de
2012.
Para o cálculo do consumo energético da secagem por liofilização foi considerado todas as
etapas e equipamentos utilizados como o ultrafreezer, liofilizador e bomba de vácuo e, o valor
foi determinado pela soma desses processos unitários.
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Para o tempo em horas foi estimado em relação ao tempo necessário para a secagem dos
frutos, até a obtenção de uma umidade de 25 %. A capacidade máxima do equipamento foi
calculada em gramas segundo a capacidade do equipamento utilizado para efetuar a secagem.
O rendimento foi calculado pela capacidade máxima de fruto úmido colocada no equipamento
e a quantidade de massa seca produzida ao final do processo.
3. Resultados e discussão
3.1. Secagem em estufa convencional
Para desidratar 1,5 Kg de tomate, o consumo energético da secagem em estufa convencional
foi de 62,4 kW, para cada 24 horas de processo, resultando em consumo total para a obtenção
de 1 kg de tomate desidratado o consumo energético de 635,11 kW. No entanto, este consumo
pode ser reduzido se forem utilizados equipamentos com capacidade maiores, ou seja, maior
quantidade de produto numa mesma batelada. O consumo energético total para obtenção de
tomate desidratado através desse método é 1,85 vezes maior do que o método que utiliza a
circulação de ar aquecido.
3.2. Secagem por liofilização
Para o cálculo do consumo energético da secagem por liofilização foi considerado todas as
etapas do processo e equipamentos utilizados como o ultrafreezer, liofilizador e bomba de
vácuo. Na etapa de congelamento, o produto permaneceu em ultrafreezer, por 24 horas, houve
um gasto de energia de 19,2 kWh, e no período de 72 horas houve um consumo de energia
pelo liofilizador e 71 horas pela bomba de vácuo de 95,04 kWh e 42,174 kWh,
respectivamente, totalizando um gasto deste processo de 156,414 kWh. O rendimento médio
para tomate desidratado através do processo de liofilização é de 7,31% a partir do tomate
úmido, calculando-se o consumo energético total para a obtenção de 1 Kg de tomate
desidratado através desse método foi de 2139,73 kW, que é 6,23 vezes maior do que o
processo em circulação forçada de ar aquecido.
Considerando a produtividade mensal, o processo por liofilização é o que apresentará menor
volume de produção quando comparado com os outros métodos, visto que para uma batelada
leva quatro dias e resulta em apenas 109,5 gramas a partir de 1500 gramas de tomate úmido.
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Em um estudo paralelo avaliando a combinação de secagem em estufa convencional por 6
horas seguido de liofilização, conseguiu-se o tempo de 24 horas para o processo de
liofilização, reduzindo o tempo de 96 para um total de 54 horas, quando somado 6 horas na
estufa com 24 horas para congelamento e 24 horas no liofilizador.
3.3. Sistema de secagem por circulação forçada de ar aquecido
Para o cálculo do sistema de secagem por circulação forçada de ar aquecido, deve ser
considerada a potência do ventilador e a potência do forno que promove o aquecimento do
sistema.
CEventilador= 0,215kW . 18 horas
CEventilador= 3,87 kWh
CEaquecimento = 1,98kW . 18 horas
CEaquecimento = 35,64 kWh
Avaliando o consumo energético do sistema de secagem por circulação forçada de ar
aquecido, o consumo energético total por batelada foi de 39,51 kWh, onde pode ser observado
que é 36 % menor do que a secagem em estufa convencional, que tem consumo energético
igual a 62,4 kWh.
O consumo energético do sistema de secagem por circulação forçada de ar aquecido resulta
em um valor equivalente a 343,56 kW de energia para produzir 1 kg de tomate desidratado
através desse processo. Quando comparado com a secagem em estufa convencional, o custo é
bem mais elevado, já que o consumo para o processo em estufa é de 635,11 kW.
De acordo com as características do equipamento, montado experimentalmente, é possível
colocar um maior número de peneiras dispostas uma sobre a outra, possibilitando assim,
dobrar ou triplicar a capacidade de tomate úmido colocado no equipamento. Mas neste caso,
deve ser avaliado novamente o tempo de processo, já que o ar que irá passar pela última
peneira possivelmente terá umidade relativa mais elevada, removendo menor quantidade de
umidade do produto em um mesmo tempo. Outra possibilidade seria de que o diâmetro da
peneira fosse maior, e da mesma maneira, comportar quantidade maior de produto de modo
que mantenha o tempo de processo em 20 horas e que o consumo energético também seja
mantido.
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3.4. Consumo energético entre os processos de secagem
O consumo energético entre os processos de secagem utilizados neste trabalho estão
apresentados na tabela 1.
Tabela 1 – Caracterização do consumo energético dos métodos de secagem
Estudo energético
Consumo energético total
(KWh)
Tempo do processo (h)
Capacidade máxima (g)
Rendimento (%)
Consumo energético do
processo por Kg de tomate
seco (Kw/Kg)
Processos de Secagem
Estufa convencional Fluxo de ar aquecido
62,4
39,51
Liofilização
156, 414
24
1500
6,55
18
1500
7,6
96
1000
7,31
635,11 kW
343,56 kW
2139,73
O sistema de secagem por liofilização foi o sistema que apresentou o maior consumo
energético, e consequentemente o maior custo de processo. Apresentando consumo energético
total equivalente a 156,414 kWh para o processo, incluindo a energia consumida para o
congelamento do produto no ultrafreezer e também a energia consumida pela bomba e do
próprio liofilizador. Resultado que confirma o suposto por Liu et al. (2012).
4. Conclusão
O consumo energético dos processos de secagem pode ser reduzido por meio de modificações
das condições de processamento, como por exemplo, o aumento da velocidade do ar ou o
controle da umidade relativa do mesmo.
Os processos de secagem são frequentemente realizados por pequenos produtores, com o
intuito de aproveitar matérias primas de origem agropecuária, sendo assim, processos feitos
em bateladas e em quantidades que não são muito grandes, indicando a viabilidade da
utilização desses sistemas para secagem destes produtos, apesar de todos eles terem
apresentado custo energético elevado, os sistemas de secagem em estufa e com fluxo de ar
aquecido podem ter suas capacidades ampliadas sem que consumam maior quantidade de
energia e mantendo o tempo de processo.
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O processo de secagem por liofilização apresentou valor muito mais elevado para consumo
energético, bem como tempo muito elevado. A comparação desse sistema de secagem com os
outros dois métodos que aplicam calor fica dificultada, visto que as características físicas,
químicas e sensoriais do produto são muito diferentes. O método resulta em um produto
diferenciado que é destinado a consumidores específicos. Consumidores esses, que podem ser
outras indústrias alimentícias, indústria farmacêutica para extração de compostos e similares.
A respeito da gestão de processo, verificou-se que há uma grande gama de situações dentro da
indústria que permitem o uso dessa ferramenta como melhoria de produtividade e aumento da
lucratividade. Contudo, não existem muitos estudos científicos que apontem essas
possibilidades. Atualmente tem se investido muito na produção de energias renováveis, e
estudos a esse respeito, mas não são muito estudas as alternativas de redução do consumo
energético como uma solução rápida e com baixos investimentos, até que grandes inovações e
descobertas sejam inseridas o setor industrial.
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XXXIII ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO
A Gestão dos Processos de Produção e as Parcerias Globais para o Desenvolvimento Sustentável dos Sistemas Produtivos
Salvador, BA, Brasil, 08 a 11 de outubro de 2013.
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