Fluidodinâmica computacional (CFD) na simulação do processo de secagem por atomização

Aqui vamos trazer um breve relato da aplicação da Fluidodinâmica Computacional (CFD) para a simulação do processo de secagem por atomização. Iremos trazer um apanhado geral da ferramenta e do processo de secagem, porém existem muitos detalhes a serem abordados, podendo-se ir muito além, partindo dos conceitos de transferência de calor e massa, de como fazer os modelos e prever o processo, entre outras informações específicas. Mas nosso intuito aqui é trazer a todos as noções gerais, para que pessoas de qualquer área possa ler e entender o tema abordado. 

Boa Leitura!

A Fluidodinâmica Computacional (CFD) é uma ferramenta de simulação que necessita de computadores com alta capacidade de processamento, para reproduzir modelos matemáticos e realizar simulação de processos que dispõem de uma física como: escoamento de fluidos, transferência de calor e de massa, reações químicas, entre outras que envolvem situações reais na indústria. Esses modelos possibilitam prever perfis de velocidade, temperatura, pressão e outros parâmetros específicos do sistema estudado. 

Fonte: Tau Flow

A técnica de CFD é amplamente utilizada em indústrias automotivas, aeroespaciais e nucleares, porém nos últimos anos passou a ser empregada na indústria de alimentos. Sua principal vantagem é a possibilidade de simular, prever e otimizar processos, levando a uma economia de custos e melhoria da qualidade dos alimentos.

Secagem por Atomização (Spray dryer)

O processo de secagem por atomização ocorre no interior de um equipamento chamado spray dryer. No processo de secagem por spray drying um bico atomizador pulveriza soluções ou suspensões em pequenas gotículas no interior de uma câmara de secagem, em que entrarão em contato direto com um ar aquecido, que fornece a energia necessária para a evaporação da água presente na suspensão, transformando as gotículas em partículas de pó, que posteriormente são coletadas por um ciclone. 


A secagem por Spray Drying é amplamente utilizada para redução do volume de produtos leite em pó, café instantâneo, etc.

Fonte: Google Imagens

A secagem por atomização deve garantir um controle preciso do processo de remoção do teor final de água e produzindo a qualidade correta do pó, com eficiência elevada, longos períodos de funcionamento e baixas perdas de produto. 

Fonte: GEA

Os componentes do spray dryer podem ser projetados com o auxílio da fluido dinâmica computacional. A técnica de CFD aplicada ao processo de secagem por spray dryer, se tornou uma ferramenta de grande importância, pois este tipo de secagem envolve escoamentos complexos e multifásicos, com uma mistura de gás, gotículas e partículas. Além disso, a taxa de secagem é fortemente influenciada pela velocidade do ar; por isso, é de grande importância conhecer os padrões de escoamento de ar e sua velocidade no interior da câmara de secagem; para que, por meio destes perfis seja possível encontrar intervalos de escoamentos de ar ideais para uma secagem mais eficiente. 

Fonte: ESSS

Porém, estes parâmetros são difíceis de se medir de forma experimental, pois seriam necessários vários medidores (sensores) distribuídos em várias direções de fluxo de ar e locais. Além disso, existem algumas limitações na modelagem dos fenômenos complexos, especialmente os relacionados à turbulência do gás. Conhecer a trajetória das partículas (velocidade, temperatura, tempo de residência) no interior da câmara de secagem também é de extrema importância para a otimização da secagem, pois todos estes parâmetros, além da velocidade do ar de secagem, influenciarão diretamente na qualidade do produto obtido.

Fonte: TetraPak

Logo, a utilização da fluidodinâmica computacional irá auxiliar os engenheiros, técnicos e envolvidos nos processos da indústria de alimentos a simularem um projeto e obterem as variáveis necessárias para que sua reprodução em planta real tenha uma maior confiabilidade. O CFD também ajuda a criar o projeto ideal para cada laticínio, garantindo um consumo mínimo de energia e outros serviços.

Referências

https://www.esss.co/blog/aprimorando-processos-na-industria-de-alimentos-e-bebidas-com-simulacao/

https://assets.tetrapak.com/static/documents/prepared_food_brochure_39807_4.pdf

https://www.tetrapak.com/br/processing/dairy/milk-powder

HUANG, L.; KUMAR, K.; MUJUMDAR, A. S. A parametric study of the gas flow patterns

and drying performance of co-current spray dryer: Results of a computational fluid dynamics

study. Drying Technology, v. 21, n. 6, 2003.

Uso das Bacteriocinas como Tecnologia Alternativa no Processamento de Alimentos

As mudanças do perfil de consumo de alimentos segue uma tendência pela busca de produtos seguros, livres de contaminantes e que mantenham o máximo de suas características originais. Isso é possível com menor uso de aditivos químicos, como os conservantes, e menor tratamento térmico que possa alterar o sabor, a cor e o odor das matérias-primas. Com isso surge a tendência de utilizar processos alternativos, considerados como tecnologias limpas com o objetivo de fornecer aos consumidores produtos saudáveis e com menor impacto ao meio ambiente.

Fonte: Google Imagens

Nessa perspectiva o uso de novas tecnologias como a bioconservação de alimentos, através do emprego das bacteriocinas, é uma alternativa para a produção de alimentos seguros sem a aplicação do calor. As bacteriocinas são fragmentos de proteínas de baixa massa molecular, produzidas por bactérias lácticas, que possuem a capacidade de inibir ou reduzir a multiplicação de algumas bactérias patógenas, principalmente as Gram-positivas, como Listeria monocytogenes, Clostridium botulinum, Baciluas cereus e Staphylococcus aureus (MORENO; LERAYER; LEITÃO, 2008).

  

Fonte: APCD.ORG

                                

As bacteriocinas estão distribuídas em 4 classes. A classe I, representada pela nisina, é constituída por peptídeos termoestáveis de baixo peso molecular (<5 kDa), a classe II é composta por pequenos peptídeos (<10kDa) termoestáveis divididos em três subclasses: IIa (pediocina eenterocina), IIb(lacto-cina G) e IIc (lactocina B); a classe III é representada por peptídeos termolábeis de alto peso molecular (>30 kDa), como helveticina J; na classe IV, encontram-se grandes complexos peptídicos contendo carboidrato ou lipídio em sua estrutura (Food Safety).

Fonte: Food Safety Brazil

A nisina é a bacteriocina mais conhecida, aprovada para a conservação de alimentos há mais de 50 anos, em vários países. As outras estudadas são a pediocinas e as enterocinas, principalmente por sua ação anti-Listeria. A produção da bacteriocina é influenciada por fatores como pH (5,5), temperatura do produto, condições de processamento e estocagem do produto.

Fonte: Google Imagens

No Brasil o uso da nisina é permitido em queijos, requeijão e queijos processados, com limite de 12, 5 mg/kg de produto final. por possuir baixa toxidade e eficiência como conservante de alimentos, além de ser considerada GRAS (Generally Recognized Safe) pelo comitê do Codex alimentárius da FAO. A nisina possui amplo espectro de ação contra a maioria das bactérias Gram-positivas, inclusive as formação de esporos, sendo seu principal mecanismo de ação relacionado com a formação de poros na membrana citoplasmática, por meio da interação eletróstática com os fosfolipídeos da membrana, resultando no extravasamento de material celular e consequente morte (APCD.ORG, 2017).

Devido à mudança nos hábitos de consumo das pessoas, por produtos mais naturais, as bacteriocinas contribuem por serem agentes naturais de conservação, podendo assim substituir os conservantes químicos nos alimentos como propionatos, benzoatos e sorbatos. E uma ótima notícia aos apreciadores de sabor, além dos benefícios evidenciados, elas não promovem alteração sensorial do produto.

Referências

https://foodsafetybrazil.org/bacteriocinas-qual-utilizacao-na-industria-de-alimentos/

http://www.apcd.org.br/index.php/noticias/688/em-foco/18-01-2017/bacteriocina-inibe-porphyromonas-gingivalis-e-estimula-a-cicatrizacao-de-tecidos-diz-estudo

MORENO, I.; LERAYER, A.L.S.; LEITÃO, M.F. de F. Bacteriocinas de bactérias láticas: utilização em laticínios e fatores que afetam a sua eficiência. [S.l.]: Infobibos, 2008.