XXII CONGRESSO DE PÓS-GRADUAÇÃO DA UFLA
14 a 18 de Outubro de 2013
Todas as informações contidas neste trabalho, desde sua formatação até a exposição dos resultados, são de exclusiva responsabilidade
dos seus autores
OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE ENVASE DE DIFERENTES REFRIGERANTES EM
INDÚSTRIA DE BEBIDAS
IGOR AUAD CANO¹, LUIZ FERNANDO SANTOS PEREIRA², MARCOS FAGNER MEIRA
RIBEIRO3, ROBERTA HILSDORF PICCOLI4
RESUMO: Os refrigerantes são bebidas compostas em sua maioria por água potável, sucos vegetais,
aditivos, açúcar e dióxido de carbono. Os principais elementos responsáveis pela variação desses
produtos são a formulação e o seu processamento. Dentre as etapas de produção, o envase é uma das
mais críticas, pois é neste momento em que ocorrem as principais perdas de produto devido ao
sobreenchimento das embalagens (envase acima do nominal), resultando em maiores custos
industriais. Mediante a isso, o objetivo deste trabalho foi avaliar possível existência de diferença no
nível de enchimento para diferentes sabores e tipos de refrigerantes, na máquina enchedora, a fim de
otimizar o processo de envase, empregando-se modelos matemáticos, reduzindo as perdas de produto.
O experimento foi realizado em indústria de refrigerantes localizada no interior do estado de SP, na
enchedora da linha 565, que envasa embalagens PET de 2 L. Os parâmetros avaliados foram:
sabores, guaraná e laranja, e tipos, diet e regular. As pressões de cúpula para cada tratamento
foram: 3,5; 4,5 e 5,5 bar. Os parâmetros operacionais da máquina foram fixados em: velocidade de
produção de 24.000 garrafas/hora e volume de cúpula em 30%. Foram coletadas 297 garrafas após o
envase e lacramento. O volume de bebida foi determinado pela pesagem e conversão por equação de
densidade, sempre na mesma temperatura. Os valores foram analisados por média simples e
modelados matematicamente empregando-se software Excel. Houve diferença quantitativa no nível de
envase dos vasilhames, para sabor guaraná e laranja. Já para diet e normal, não houve diferença
durante o envase. Os modelos matemáticos encontrados representam o processo de envase, para cada
tratamento, com boa precisão. O processo de envase é otimizado na pressão média de 4,5 bar para
guaraná diet e normal; e na pressão menor que 3,5 bar para laranja.
Palavras-chave: bebida, volume, laranja, guaraná, custos e enchimento.
INTRODUÇÃO
A geração de riquezas oriunda do mercado de bebidas tem grande participação no PIB do Brasil
(BNDES, 2006). Por exemplo, segundo a pesquisa realizada pelo Ibope Inteligência, com dados do
Pyxis Consumo, o mercado de bebidas movimentou quase 18 bilhões de reais em 2012 (IBOPE,
2012), além da enorme geração de empregos direta e indiretamente devido a movimentação deste
setor. Especificamente para os refrigerantes, de acordo com a Associação Brasileira da Indústria de
Refrigerantes (ABIR), estes possuem participação acima de 40% de todo o portfólio de produtos do
ramo de bebidas não alcoólicas (ABIR, 2011).
Um dos principais fatores que delimitam o sucesso das organizações é operar com o mínimo
custo de produção para, deste modo, tornarem-se mais competitivas no mercado através de produtos
mais acessíveis economicamente. Uma das maneiras de se alcançar isso é pela redução de perdas
durante a manufatura de elementos de fabricação (THOMPSON; STRICKLAND, 2000). Ou seja, a
ideia de atuar com perdas mínimas e baixos custos de produção é a estratégia organizacional que busca
a máxima vantagem competitiva entre as companhias do mesmo setor (PORTER, 1986).
Em estudo sobre a avaliação de perdas de matéria-prima no processo produtivo de uma fábrica
de refrigerantes, Esteves e Moura (2010) afirmaram que uma das principais etapas aonde estas perdas
ocorrem é na etapa de envase, sendo por sobre-enchimento. Esse relato está de acordo com o exposto
pela empresa (fábrica de refrigerante) visitada, onde as perdas de matérias-primas por
sobreenchimento (envase a mais das embalagens) é da ordem de milhares de reais por ano, sendo estes
valores os responsáveis pelo aumento dos custos de produção das bebidas.
Portanto, o objetivo deste trabalho foi avaliar se existe diferença no nível de enchimento para
diferentes refrigerantes (sabores e tipos), na máquina enchedora, a fim de otimizar o processo de
envase, através de modelos matemáticos, reduzindo as perdas de produto durante o envasamento.
1
Estudante de Graduação em Engenharia de Alimentos, UFLA/DCA, [email protected]
Estudante de graduação em Engenharia de Alimentos, UFLA/DCA, [email protected]
3
Estudante de graduação em Engenharia de Alimentos, UFLA/DCA, [email protected]
4
Professora Associada, UFLA/DCA, [email protected]
2
XX CONGRESSO DE PÓS-GRADUAÇÃO DA UFLA
14 a 18 de Outubro de 2013
Todas as informações contidas neste trabalho, desde sua formatação até a exposição dos resultados, são de exclusiva responsabilidade
dos seus autores
REFERENCIAL TEÓRICO
Refrigerantes
De acordo com Barnabé, Filho (2010) e Embrapa (2010), os principais componentes dos
refrigerantes são: água, açúcar, suco ou extrato vegetal, aditivos alimentares e CO2.
De modo geral, as três principais fases de fabricação de refrigerantes são: a) produção dos
xaropes simples e composto; b) proporção com água e CO2 e c) envase (BARNABÉ; FILHO, 2010).
Enchedora
A máquina de enchimento é um sofisticado equipamento usado para envasar uma série de
produtos líquidos como águas, refrigerantes, vinhos, cervejas e sucos. Ela tem por objetivo preencher
as embalagens com a bebida em questão (RAHAMAN et al., 2008, STEEN; ASHURST, 2006).
A válvula de enchimento é a interface entre a enchedora e a embalagem. Em outras palavras,
essas válvulas são as responsáveis por injetar a bebida de modo controlado dentro dos vasilhames
durante o processo de envase (RAHAMAN et al., 2008). De maneira geral é possível encontrar no
mercado dois tipos de enchedoras: eletropneumática e eletrônica. A primeira é classificada desta
maneira pelo fato de, no enchimento das bebidas, o processo ser realizado por válvulas mecânicas. Já
para a segunda, ocorre o preenchimento por válvulas eletrônicas (KRONES, 2009; ZEGLA, 2013).
Modelagem Matemática e Otimização de Processos
Segundo Franchi (1993), Jacobini (1996) e Ferruzi (2003) a modelagem matemática pode ser
aplicada em diversos campos de conhecimento, como química, biologia, bioquímica, engenharia,
utilizando-se dos conceitos matemáticos como o cálculo diferencial e integral ou de estatística.
Schwaab (2007) descreveu o modelo como sendo uma estrutura que tenta descrever de forma
aproximada a realidade. Esta descrição aproximada é função da necessidade do modelo basear-se em
conjunto de observações experimentais, as quais são corrompidas por erros de medidas. Logo, nessa
concepção, nem todas as variáveis podem ser controladas e/ou medidas precisamente.
Segundo Gordillo (1996), a elaboração do modelo, juntamente com sua aplicação na simulação,
reúnem uma série de vantagens, tais como: (a) entender o comportamento físico e matemático dos
sistemas; (b) dimensionamento de equipamentos e processos; (c) predizer com determinada certeza o
comportamento físico e econômico; (d) otimização de processos industriais, entre outros.
De acordo com Harrel (2000) a otimização é a tentativa de combinações de valores para
variáveis que podem ser controladas, buscando a combinação de valores que provêm resultados mais
desejados em determinado processo. Na maioria das vezes este processo se torna difícil ou mesmo
impossível de ser realizado em sistema real, e por isso é feito empregando-se modelos matemáticos.
MATERIAL E MÉTODOS
Local do experimento
O experimento foi realizado em conjunto com a Indústria de Bebidas, da cidade de Jundiaí, no
Estado de SP, em dezembro de 2012. O trabalho foi feito na enchedora da Linha 565, que fabrica
refrigerantes em embalagens PET de 2 litros.
Amostragem
Foram coletadas 297 garrafas na linha de produção, logo após o seu envasamento e fechamento,
de modo padronizado. As amostras foram coletadas em três repetições e as análises de pesagem,
densidade e volume foram feitas em triplicatas de modo padronizado.
XX CONGRESSO DE PÓS-GRADUAÇÃO DA UFLA
14 a 18 de Outubro de 2013
Todas as informações contidas neste trabalho, desde sua formatação até a exposição dos resultados, são de exclusiva responsabilidade
dos seus autores
Parâmetros avaliados
Os parâmetros avaliados durante o envase foram: sabores, guaraná e laranja, e tipos, guaraná
normal e guaraná diet. Os parâmetros foram avaliados nas pressões de cúpula de: 3,5; 4,5 e 5,5 bar.
As variáveis operacionais da máquina, volume da cúpula, velocidade de produção e temperatura
de envase foram fixadas em 30%, 24.000 garrafas/hora e 4 °C, respectivamente. Após 10 minutos,
período de estabilização da enchedora eletromecânica (Simonazzi S.P.A./Sasib, modelo Eurostar
2000/Blokrinser) garrafas foram coletadas das válvulas 1 a 11, em todos os tratamentos. Retiraram-se
as embalagens da esteira transportadora, na linha de produção, sendo as amostras levadas ao
laboratório da indústria e as medidas de densidade e massa de bebida dentro das garrafas realizadas.
Medição do Volume dentro das Embalagens
A mensuração da massa de refrigerante dentro das embalagens foi realizada com uso da balança
de precisão (Mettler Toledo, tipo New Classic MF e modelo MS 40025/A01). Para se determinar o
volume de líquido de cada garrafa fez-se a conversão de massa para volume empregando-se a equação
da densidade. Os dados de densidade da bebida foram obtidos para cada garrafa pesada pelo
equipamento CarboQC Classic (Anton Paar) acoplado ao Density Meter (DMA 4500). Todas as
medidas foram feitas a mesma temperatura e de modo padronizado.
Análise Estatística dos Resultados e Modelagem
Os dados obtidos foram submetidos à análise de média simples. A partir da geração destes
dados foi feita a análise de regressão a fim de se estabelecer o modelo matemático, em Programa
Excel da Microsoft® Office 2010 (CASTRO et al., 2008).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os diferentes volumes médios de refrigerante dentro das embalagens PET de 2 litros, de acordo
com diferentes pressões de cúpula para sabores e tipos, podem ser observados nas tabelas 1, 2 e 3.
Tabela 1 Volume médio (mL) de bebida (guaraná normal) envasado nas garrafas em diferentes
pressões de cúpula da enchedora.
Pressão da Cúpula (bar)
Válvula
3,5
4,5
5,5
1
1993,24
1996,14
2028,97
2
1984,45
2002,80
2011,10
3
1964,57
1992,28
2022,40
4
1983,30
1993,24
2002,90
5
1969,10
1992,47
2027,71
6
1987,64
1998,94
2009,66
7
1977,60
2011,59
2026,65
8
1989,09
1984,36
2011,78
9
1970,55
2010,04
2021,63
10
1989,67
1991,70
2024,04
11
1980,88
2010,91
2033,41
1.980,92 ± 9,40
1.998,59 ± 9,12
2.020,02 ± 9,67
Médias
Nas Tabelas 1 e 2 observa-se que para o refrigerante sabor guaraná e guaraná diet,
respectivamente, os volumes envasados foram similares, ou seja, o nível de enchimento das garrafas
não foi influenciado de fato pelas pressões de cúpula estudadas. Assim, como exemplo, na pressão de
4,5 bar, o volume de bebida para o normal foi de 1.998,59 mL, já para diet de 1.997, 25 mL. Esse
resultado pode ser explicado pelo fato de ambas bebidas serem muito semelhantes, tanto devido a sua
XX CONGRESSO DE PÓS-GRADUAÇÃO DA UFLA
14 a 18 de Outubro de 2013
Todas as informações contidas neste trabalho, desde sua formatação até a exposição dos resultados, são de exclusiva responsabilidade
dos seus autores
formulação como no seu processamento. Segundo Barnabé e Filho (2009), a principal diferença entre
elas está, basicamente, em sua composição química, sendo o diet ausente em sacarose, que é
substituído por edulcorantes hipocalóricos, como o aspartame, acesulfame, sacarina, ciclamato de
sódio, sucralose, entre outros (BRASIL, 1995).
Bebidas diet são especialmente formuladas para atender às necessidades de portadores de
intolerância à ingestão de dissacarídeos e/ou portadores de erros inatos do metabolismo de
carboidratos. Podem conte no máximo 0,5 g do nutriente em referência, por 100g ou 100 mL do
produto final a ser consumido (BRASIL, 1998).
Tabela 2 Volume médio (mL) de bebida guaraná diet envasado nas garrafas em diferentes pressões de
cúpula da máquina.
Pressão da Cúpula (bar)
Válvula
3,5
4,5
5,5
1981,39
2001,30
2031,52
1
1983,59
1977,08
2032,82
2
1962,57
2011,01
2025,82
3
1915,14
2012,31
2026,12
4
1988,69
1974,68
2018,31
5
1972,58
1997,30
2037,73
6
1989,29
1982,19
2018,21
7
2017,61
1998,00
2024,32
8
1957,47
1998,60
2002,50
9
1960,17
2001,70
2032,22
10
1969,48
2015,61
1999,40
11
1.972,54 ± 25,61
1.997,25 ± 13,91
2.022,63 ± 12,29
Médias
Tabela 3 Volume médio (mL) de bebida (sabor laranja) envasado nas garrafas em diferentes pressões
de cúpula.
Pressão da Cúpula (bar)
Válvula
3,5
4,5
5,5
1
2004,63
2024,43
2023,08
2
2013,81
2020,66
2039,39
3
1997,39
2015,06
2035,82
4
2005,60
2020,76
2026,17
5
1996,91
2013,23
2034,76
6
2014,29
2021,15
2024,91
7
2012,07
2008,40
2036,01
8
2005,02
2009,66
2027,23
9
2013,23
2024,43
2042,39
10
2005,02
2011,01
2023,17
11
2003,86
2020,18
2037,66
2006,53 ± 6,17
2017,18 ± 5,89
2031,87 ± 7,05
Médias
Comparando as Tabelas 1 e 3, para os refrigerantes sabores guaraná e laranja, respectivamente,
observa-se que os volumes envasados apresentaram-se distintos, ou seja, o nível de enchimento das
garrafas foi influenciado pelo tipo de refrigerante. Assim, como exemplo, na pressão de 4,5 bar, para
guaraná, o volume médio envasado foi de 1.998,59 mL, já para laranja, na mesma pressão e mesmas
condições, foi de 2.017,18 mL. Isto mostra a influência de cada bebida avaliada sobre o envase.
A principal diferença entre estas bebidas está em sua formulação, sendo o seu processamento
completamente igual (BERNABÉ, FILHO, 2009). Simplificadamente, isso ocorre devido ao suco de
fruta ou extrato vegetal adicionado, isto é, o refrigerante sabor guaraná é composto por extrato ou
XX CONGRESSO DE PÓS-GRADUAÇÃO DA UFLA
14 a 18 de Outubro de 2013
Todas as informações contidas neste trabalho, desde sua formatação até a exposição dos resultados, são de exclusiva responsabilidade
dos seus autores
semente de guaraná (20 mg/100 mL) já o de laranja contém no produto final 10% suco de laranja,
com, no mínimo, 10,5 °Brix (BRASIL, 2009). Esta particular distinção entre os dois refrigerantes
acarreta diferentes desempenhos no escoamento dos mesmos pelas válvulas de envase da enchedora,
pois suas características físicas são diferentes. Dentre estas, tem-se a viscosidade do líquido, sendo a
viscosidade relativa média de 1,24, para guaraná, e 1,32 para laranja (GODINHO et. al., 2008).
Por outro lado, de acordo com Steen e Ashurst (2006), o comprimento, a espessura e atrito das
válvulas de enchimento afetam o escoamento da bebida, que deve ser preferencialmente pouco
turbulento, mantendo a qualidade da bebida.
Avaliando matematicamente a influência da pressão sobre o volume de envase dos refrigerantes
guaraná e guaraná diet, observa-se na Figura 1, que a regressão linear se ajusta adequadamente aos
dados coletados, com R2 igual a 0,99. Mostrando que a tendência do volume de enchimento é
diretamente proporcional à pressão operacional do equipamento para ambas as bebidas.
Essa equação de primeiro grau pode ser usada para modelar o processo de envase nestas
mesmas condições. Com isso, é possível prever o comportamento de envase para diferentes pressões,
sem, necessariamente realizar novos testes e interferir na produção.
Figura 1 Influência da pressão no volume de envase dos refrigerantes guaraná e guaraná diet.
*(Vermelho = diet; Azul = normal ou regular).
Na Figura 2 observa-se que a regressão linear se ajustou bem aos dados coletados, com R2 de
0,99, para o envase de refrigerante guaraná e laranja. Essa equação de primeiro grau pode ser usada
para modelar o processo de envase, nestas mesmas condições, a fim de simular o envase em outras
pressões de cúpula, como no caso anterior.
Figura 2 Influência da pressão no volume de envase dos refrigerantes guaraná e laranja.
*(Vermelho = guaraná; Azul = laranja).
CONCLUSÃO
O volume ou nível de enchimento durante o envase das garrafas foi influenciado pelas bebidas
de diferentes sabores (guaraná e laranja), porém para os diferentes tipos de bebidas (diet e regular) não
houve influência significativa. Os modelos matemáticos representaram com boa precisão os processos
de enchimento, nas condições testadas. O processo de envase pode ser otimizado, reduzindo as perdas
XX CONGRESSO DE PÓS-GRADUAÇÃO DA UFLA
14 a 18 de Outubro de 2013
Todas as informações contidas neste trabalho, desde sua formatação até a exposição dos resultados, são de exclusiva responsabilidade
dos seus autores
devido ao sobreenchimento, operando a máquina enchedora na pressão de 4,5 bar, para guaraná
normal e diet. Já para o sabor laranja, a pressão deve ser menor que 3,5 bar.
AGRADECIMENTOS
Aos órgãos de financiamento e pesquisa, CAPES, FAPEMIG, CNPq e UFLA. A Fábrica de
Bebidas do estado de SP, que gentilmente ofereceu suas instalações industriais.
REFERÊNCIAS
ABIR - Canadean - Evolução de bebidas não alcoólicas por categorias de 2004 a 2008, 2011.
Acessado em: 23/04/2013. Disponível em: http://www.abir.org.br/downloads/2008/pt1.pdf
BARNABÉ, D.; FILHO, W. G. V. Bebidas Não Alcoólicas - Ciência e Tecnologia. Ed Blücher. Vol. 2, São Paulo, 2010.
BNDES (Banco Nacional do Desenvolvimento). Panorama do setor de bebidas no Brasil. BNDES Setorial, Rio de Janeiro,
n. 23, p. 101-150, mar. 2006.
BRASIL. MAPA. Decreto nº 6.871, de 4 de junho de 2009, regulamenta a Lei n° 8.918, que dispõe sobre a padronização, a
classificação, o registro, a inspeção, a produção e a fiscalização de bebidas, 2009.
BRASIL. Ministério da Saúde. Secretaria de Vigilância Sanitária. Portaria no. 318 de 24 de novembro de 1995. Aprova o
uso de Sucralose com a função de edulcorante em alimentos e bebidas dietéticas; DOU, Brasília, no. 227, 28 nov. 1995.
BRASIL. Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA). Portaria nº 29, de 13 de janeiro de 1998. Regulamento
Técnico referente a Alimentos para Fins Especiais. D.O.U, Poder Executivo, de 30 de março de 1998.
CASTRO, I. M.; ANJOS, M. R.; OLIVEIRA, E. S. Determination of benzyl isothiocyanate in Carica papaya using gas
chromatography with selectives detectors. Química Nova, vol. 31 n°.8, SP, 2008.
EMBRAPA (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária). Produção de Refrigerantes de Frutas. Documento 279.
Cerrados, Planaltina, DF. 2010
ESTEVES, E. F.; MOURA, L. S. Avaliação de desperdícios e perdas de matéria-prima no processo produtivo de uma
fábrica de bebidas. VII SEGeT (Simpósio de Excelência em Gestão e Tec.), 2010.
FRANCHI, R. H. O. L. Modelagem Matemática como estratégia de aprendizagem do Calculo Diferencial Integral nos
cursos de Engenharia [Dissertação Mestrado]. UNESP, Rio Claro (SP), 1993.
FERRUZZI, E. C. A. Modelagem Matemática como estratégia de ensino e aprendizagem do Cálculo Diferencial e
Integral nos Cursos Superiores de Tecnologia [Dissertação de Mestrado]. UFSC, 2003.
GODINHO, M. S.; PREREIRA, R. O.; RIBEIRO, K. O.; SCHIMIDT, F.; OLIVEIRA, A. E. Classificação de refrigerantes
através de análise de imagens e análise de componentes principais (PCA). Quim. Nova, Vol. 31, No. 6, 1485-1489, 2008.
GORDILLO, M. A.; Estratègies d’operació em “fed-batch”: aplicació a la producció de lípases per Candida rugosa;
Thesis, Universitat Autônoma de Barcelona, Espanha, 1996.
HARREL, C. R.; GHOSH, B. K.; BOWDEN, R. Simulation Using ProModel®. McGraw-Hill, 2000.
IBOPE INTELIGÊNCIA. Consumo de bebidas deve movimentar mais de R$ 17 bilhões até o fim do ano, 2012.
Acessado em 23/04/2013. Disponível em: <http://www.ibope.com.br/pt-br/relacionamento/.....>
JACOBINI, O. R. A Modelagem Matemática aplicada no ensino de Estatística em cursos de graduação. [Dissertação de
Mestrado] – Instituto de Geociência e Ciências Exatas – UNESP. Rio Claro, 1996.
KRONES. HomeOur: technology volumetric filler for carbonated beverages, 2009.
Acessado em 01/05/2013. Dsponível em: <http://www.krones.com/downloads/modulfill_vodm-karb e.pdf>
PORTER, M.E. Estratégia competitiva: técnicas para análise de indústrias e da concorrência. Rio
de Janeiro: Ed. Campus, 1986.
RAHAMAN, M. F.; BARI, S.; VEALE, D. Flow investigation of the product fill valve of filling machine for packaging
liquid products. Journal of Food Engineering. 252–258, 2008.
SCHWAAB, M.; Pinto, J. C.; Análise de Dados Experimentais I: Fundamentos de Estatística e Estimação de
Parâmetros, E-papers Serviços Editoriais: Rio de Janeiro, Brasil, 2007.
STEEN, D. P.; ASHURST, P. R. Carbonated Soft Drinks: formulation and manufacture. First published by Blackwell
Publishing Ltd, 2006.
THOMPSON, J.R.A.A.; STRICKLAND, I, A.J. Planejamento estratégico: elaboração, implementação e controle. São
Paulo: Pioneira, 2000, 431 p.
ZEGLA. Enchedoras: descrição, 2013. Acessado em 01/05/2013. Disponível em: <http://www.zegla.com.br/enchedoras....>