UNIVERSIDADE VALE DO TAQUARI - UNIVATES
CENTRO DE CIÊNCIA EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
PROCESSO PRODUTIVO DE CERVEJAS PREMIUM
Danieli Dallé
Letícia Carolina da Cunha
Sarah Zonatto Ribeiro
Lajeado, maio de 2019
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projeto de processos quim industriais - planta de cerveja, Trabalhos de Ciência e Tecnologia de Alimentos
projeto desenvolvido na disciplina de processos quimicos industriais
Tipologia: Trabalhos
2019
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UNIVERSIDADE VALE DO TAQUARI - UNIVATES
CENTRO DE CIÊNCIA EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
PROCESSO PRODUTIVO DE CERVEJAS PREMIUM
Danieli Dallé Letícia Carolina da Cunha Sarah Zonatto Ribeiro
Lajeado, maio de 2019
Danieli Dallé Letícia Carolina da Cunha Sarah Zonatto Ribeiro
PROCESSO PRODUTIVO DE CERVEJAS PREMIUM
Trabalho apresentado na disciplina de Projeto de Processos Químicos Industriais da Universidade do Vale do Taquari como parte da obtenção do título em Bacharel em Engenharia Química. Professora: Dr(a) Cleide Borsoi
Lajeado, maio de 2019
Dependendo do estilo da cerveja, é escolhido o tipo de malte necessário, sendo que existem diversos: claros e escuros, torrados e tostados (ROSA; AFONSO, 2015; D'AVILA, et al., 2012). No Brasil, cerca de 30% de malte consumido é produzido, exigindo grande parte de malte exportado, o que encarece o processo em micro cervejarias (FERREIRA; COSTA, 2017). O Brasil está entre os países que mais apreciam e fabricam a bebida, cerca de 10, bilhões de litros são distribuídos e consumidos anualmente, detrás apenas da China (35 bilhões de litros por ano), Estados Unidos (23,6 bilhões de litros por ano) e Alemanha (10,7 bilhões de litros por ano). O valor de consumo per capita no Brasil chega a 50 litros por ano, sendo que os estilos preferidos, entre os mais de 20 mil existentes, são lager, bock, malzbier e stout. Em virtude disso, o país é visto como um forte potencial para instalações de microcervejarias de estilos premium para atender a paladares refinados (GRANATO et al., 2011; SIQUEIRA; BOLINI; MACEDO, 2008; VENTURINI FILHO, 2010).
A indústria cervejeira do Brasil possui forte potencial, o setor é um dos maiores empregadores do país, com cerca de 2,7 milhões de pessoas. O segmento é relevante à economia, com investimentos de 17 bilhões entre 2010 e 2013, sendo responsável por aproximadamente 2% do PIB nacional. Ultimamente micro cervejarias ganham espaço no mercado, passando a oferecer estilos diferenciados para o consumidor, visando qualidade para paladares refinados, público que ampliou nos últimos anos, na qual foi registrado um acréscimo nas vendas de cerca de 7% a 8% ao ano. Além disso, o setor a participação das cervejas especiais, tipo Premium, quase dobrou nos últimos anos, alcançando seu consumo cerca de 15% (CERVBRASIL, 2014; FERRARI, 2008; FREITAS, 2015; SINDICERV 2012).
O objetivo deste trabalho é projetar e dimensionar, levando em consideração dados de análise de mercado e viabilidade econômica industrial, uma planta de processamento de cerveja do tipo ale empregando o café como ingrediente adjunto na formulação. Além disso, avaliar todo o processo produtivo da cerveja, considerando conceitos de balanço de massa das operações unitárias envolvidas.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 A cerveja
Há comprovativos de que a cerveja já estava presente na alimentação humana desde 8000 a.C., entre os povos que se beneficiaram de cereais, como cevada e trigo, para fermentação pode-se citar os sumérios, assírios e babilônicos. Não é possível afirmar ao certo como foi descoberta a fermentação, entretanto, acredita-se que os sumérios foram o primeiro povo a realizar o processo com sucesso “por um acaso”, segundo relatos, um cereal rico em açúcares foi esquecido em uma jarra com água por alguns dias, resultando em um caldo rico em álcool (MATOS, 2011; MÜLLER, 2002). A produção caseira e artesanal da cerveja era de responsabilidade das mulheres na idade média, a bebida era produzida e contemplada a toda a família, apreciada pelas menores classes sociais por ser acessível e de uso de ingredientes baratos e locais, diferentemente dos vinhos, que eram considerados bebidas finas e de alto valor agregado (SILVA; LEITE; DE PAULA, 2016). A colonização holandesa foi a responsável por trazer a bebida para o Brasil, em meados do séc XVII. Após, em 1654, quando houve a expulsão do povo holandês do território brasileiro, a cerveja desapareceu por um longo período devido ao fato da exclusividade do uso dos portos brasileiros aos portugueses, sendo que os estrangeiros não tinham permissão para desembarque de mercadoria. Ademais, os portugueses receavam na troca do mercado do vinho para a cerveja. A volta da bebida ao Brasil se deu no final do século XVIII e início do XIX, com a família real portuguesa, em 1814, a qual autorizou a abertura dos portos para outras nações. A partir desse período começaram a surgir as primeiras indústrias e microcervejarias registradas no país, e um tempo depois, as primeiras legislações pertinentes (COELHO- COSTA, 2015; GIORGI, 2015).
ao reino dos fungos, sendo a Saccharomyces Cerevisiae a levedura mais utilizada para a fabricação. Os fabricantes, em sua maioria, possuem sua própria levedura, havendo evolução de acordo com o tipo de cerveja que desejava-se produzir. Já o malte é um cereal originário da germinação e dessecação da cevada e o lúpulo é a flor da planta Humulus lupulus , sendo este responsável pelo gosto amargo característico, sendo um conservante de origem natural, natural da europa, ásia e américa (BAMFORTH, 2011; BRUNELLI et al , 2014; SENAI, 2014). O processamento da cerveja vai depender do tipo de bebida a ser produzida, podendo ser um processo simplificado ou complexo. A produção inicia-se a partir da escolha do cereal, onde é comumente usada a cevada, por possuir grande mercado produtor e elevada resistência ao acamamento, se diferenciando por espigar mais tarde que os demais cereais (BAMFORTH, 2011; VENTURI FILHO, 2018; VENTURI FILHO, 2010). Alguns ingredientes especiais podem ser utilizados como ingredientes adjuntos para realçar sabor e cor nas formulações da bebida, como por exemplo, xaropes de alta maltose, banana, beterraba, frutas, caldo de cana e café. O café é uma das principais plantas cultivadas no Brasil, apresenta baixo valor nutricional, porém, é muito consumido pelo simples prazer do aroma e sabor que o composto proporciona. Quanto à torrefação, quanto maior a temperatura empregada, maior é extração dos compostos do café, realçando o sabor e aroma do mesmo, e quando empregado na cerveja, acrescenta uma sensorialidade diferenciada (DUARTE, 2015; REBELLO, 2009). Já dentre os outros cereais, pode-se fazer uso também de grãos como arroz, milho e trigo. Após a escolha e classificação das matérias-primas dá-se andamento à limpeza e seleção dos grãos dos cereais, secagem e armazenamento, moagem dos grãos, onde ocorre uma uniformização das frações moídas, brassagem, fervura e clarificação do mosto, processo de resfriamento, fermentação, carbonatação estabilização da bebida e por fim, envasamento (BORTOLI et al., 2013; KUNZE, 2006).
2.2.1. Moagem e Mosturação
A primeira etapa consiste na moagem do malte que será convertido posteriormente na cerveja, é nesta etapa que as partículas do malte serão reduzidas para que haja facilidade na conversão. Os objetivos dessa etapa são romper a casca do malte, separando a casca do endosperma; desintegração do endosperma a fim que se consiga obter reações enzimáticas e fornecer grãos moídos facilitando as etapas de maceração e filtração (KUNZE, 2006; SENAI, 2014).
Antes mesmo de haver a moagem para geração do malte, os grãos passam por uma etapa de limpeza, na qual irá descartar grãos contaminados, classificando os cereais de acordo com tamanho. Na moagem deve-se ter um cuidado especial para que haja a trituração dos grãos, sem que estes sejam transformados em pó, ocasionando em um controle maior de processo. Quando os grãos possuem menor consistência, comumente usa-se o moedor de dois rolos, e para grãos com elevada resistência, moedor de seis rolos, entretanto, para melhor maceração e maior eficiência na média desejada de diâmetro da partícula, o mais recomendado para escalas porte médio/grande é o moedor de seis rolos (DIAS, 2014; KUNZE, 2006). Em seguida, a mosturação, ou também chamada de brassagem, é a etapa responsável pela fabricação do mosto, consistida a partir do cozimento do malte juntamente com água, sendo sua composição de 85% de água e o restante de extrato de malte. O resíduo/bagaço que é gerado na primeira etapa de produção da cerveja pode ser filtrado no próprio tanque (método muito utilizado em microcervejarias), na qual um disco filtrante/peneira é aberto através do acionamento de uma válvula, e apenas o mosto passa para a próxima etapa. Essa etapa também pode ser conduzida em equipamento de filtro prensa, que é de alta eficiência de remoção, sendo muito utilizado em grandes indústrias, porém, possui uma desvantagem: é de alto custo de implantação e necessita de troca de meio filtrante constantemente (MORALES, 2016; SILVA, 2017; ARAÚJO, 2018.).
. Na mistura de malte com água, são adicionados enzimas e sais em temperatura e pH controlados, todos os componentes da etapa são acondicionados em uma tina de mostura. As enzimas, que tem por objetivo a transformação do amido em monossacarídeos devem ter uma atividade máxima e o seu o pH deve estar em torno de 4,8 a 8, pois se atingirem valores extremos de pH, podem desnaturar (FREITAS, 2006; MARCONDES; CTS, 2018; ROSA, 2015; SENAI, 2014). Por ter como objetivo a formação do mosto, onde água e extrato de malte serão os produtos gerados, o tipo de brassagem vai depender das características que deseja-se para a bebida, tendo diversas receitas, quantidades, componentes e temperaturas de cozimento (SILVA, 2017).
2.2.2. Fervura, Decantação e Resfriamento
Posteriormente a mosturação, aplica-se o processo de fervura, na qual o mosto é submetido a altas temperaturas e pressões para que ocorra a inativação de enzimas, desnaturação e coagulação proteica, esterilização e extração de compostos. A etapa da fervura causa evaporação de cerca de 15% (m/m) de água, concentrando o mosto, logo, o sabor e a cor
Figura 1. Movimento “ whirlpool ” das partículas sólidas do mosto pós fervura.
Fonte: Matos (2011) O resfriamento, operação seguinte à decantação, normalmente se dá em um trocador de calor do tipo placas, uma das vantagens do uso desse tipo de equipamento é a alta eficiência de troca térmica, a versatilidade de montagem e implementação de novas placas e a facilidade na sanitização e limpeza. A saída do mosto do trocador deve estar na temperatura apropriada para a fermentação dependendo do estilo da cerveja, entre 10 e 20 ºC. (ORTIZ, 2014; SPIES, 2019; SANTOS, 2018). Após o resfriamento, o líquido parte para a etapa de fermentação (OLIVEIRA, 2015).
2.2.3. Fermentação
Para definir o paladar da cerveja, a fermentação é a principal fase para elaborar uma cerveja de boa qualidade. Durante este processo muitos compostos são formados, basta manter o controle da fermentação para realizar a manutenção dos aromas desejáveis e eliminar os indesejáveis, os quais são subprodutos do metabolismo da levedura. A fim de que as melhores condições ocorram, alguns parâmetros, como a duração do processo de fermentação, a temperatura, a contrapressão, a levedura adequada e sua quantidade, devem ser considerados no controle do processo (MORADO, 2009). A inoculação inicia-se no mosto recebendo a levedura que é acondicionada em grandes tanques de aço inox, os quais são chamados de fermentadores ou dornas. Nos primeiros momentos, é elevada a concentração de açúcares, sendo os principais fermentáveis a glicose e a maltose. A fermentação alcoólica consiste na transformação de piruvatos dos glicídios simples em etanol e gás carbônico, na mudança do metabolismo de aeróbico para anaeróbico. Há também oxigênio, o qual será utilizado pela levedura como nutriente para sua multiplicação, na fermentação que inicia através da energia do metabolismo aeróbico dos glicídios,
principalmente no ciclo de Krebs. Outros nutrientes consideráveis no mosto são os aminoácidos e alguns sais minerais (MORADO, 2009; ROSA; AFONSO, 2015). A reação de fermentação inicia-se com a quebra das moléculas de açúcar presentes no mosto em partículas menores, etapa chamada de glicólise (quebra da glicose), onde é gerado o piruvato e a energia, conforme ilustra a Reação 1. Posteriormente, o piruvato, submetido a ação de uma levedura (normalmente a Saccharomyces Cerevisae ), passa pelo processo da fermentação alcoólica, onde é gerado dióxido de carbono e etanol (OLIVEIRA, 2015).
Reação 1. Reações envolvidas na fermentação: glicólise e fermentação alcoólica.
Fonte: Oliveira (2015). A conversão estequiométrica global da reação de fermentação dos açúcares (glicose, sacarose, frutose, maltose, maltotriose) que se dá a partir da glicose é a seguinte:
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + energia
Além disso, o tipo de fermentação dependerá da levedura utilizada: a levedura Saccharomyces cerevisiae é empregada na cerveja de alta fermentação, onde as leveduras tendem a se posicionar na parte superior do fermentador, já a cerveja de baixa fermentação é utilizado a levedura Saccharomyces Carlsbergensis a qual tende a permanecer na parte inferior do fermentador. O acompanhamento da cinética do processo pode ser feito pela amenização do brix do mosto, o que depende da concentração dos açúcares fermentativos o que tornará, maior ou menor a concentração de álcool ao final do processo da fermentação (OETTERER; D'ARCE; SPOTO 2006; ROSA; AFONSO, 2015; WALKER; STEWART, 2016).
uma eficiência elevada. Outra alternativa empregada são os filtros prensas, que possuem alta eficiência na remoção, além de não necessitarem de manutenção e limpeza tão frequentes quando comparado ao filtro kieselguhr. Ainda, outro equipamento empregado para remoção de partículas suspensas é a centrífuga, porém, por ser de elevado custo, poucas cervejarias optam por esse tipo de remoção. A filtração não modifica as características da cerveja como composição e o sabor (ROSA; AFONSO, 2015; SENAI; 2014; VENTURI FILHO, 2018). A pasteurização se caracteriza pela eliminação de contaminantes resultantes do processo, sendo determinado o tipo de pasteurização pelo método de acondicionamento da bebida. A pasteurização pode alterar o paladar da cerveja, podendo apresentar um envelhecimento de origem artificial, não sendo obrigatória a pasteurização, comente em casos em que a bebida não atinja os parâmetros conferidos pelos órgãos regulamentadores. Dentre os principais contaminantes, encontram-se os Lactobacilos e Pediococos , tendo como intuito do processo a eliminação destes microrganismos através de um controle de temperatura, no qual os agentes contaminantes são sensíveis. A pasteurização garante validade à cerveja, que fica na faixa de 4 à 6 meses de validade, objetivando segurança de consumo durante este período. Os tipos de pasteurização comumente usados são os de túneis, de andares, flash e placas (CERVESIA, 2017; TAFULO, 2008). O trocador de placas é utilizado em processos de pasteurização indireta, é um equipamento vantajoso por ser de fácil limpeza, possuindo elevada eficiência térmica, sendo financeiramente viável quando fabricado com aço inox, distribuindo bem a temperatura, e tendo turbulência de forma induzida quando há um escoamento de baixa velocidade (AGUIAR, 2009). A quantidade de CO 2 (gás carbônico) existente no final do processo não é suficiente para cumprir as necessidades do produto, utilizando-se a carbonatação da mesma, com injeção de gás carbônico gerado na etapa de fermentação. Nesta fase, na maioria dos casos a bebida é armazenada em tanques com baixas temperaturas e elevadas pressões, sendo adicionado gás carbônico até que ocorre a incorporação na cerveja. Logo, a cerveja está pronta e é enviada para dornas específicas chamadas de adegas de pressão, no qual permanece sob condições controladas de pressão e temperatura, garantindo sabor e teor de CO 2 até o envase (ORTIZ, 2014). A etapa de envase é considerada um momento crítico para o futuro da cerveja, pois ela deixa o recipiente, do ambiente controlado que foi processado, e é exposto ao ambiente externo. É de fundamental importância a assepsia das instalações e das garrafas para assegurar a qualidade e estabilidade da cerveja. A cerveja é uma bebida muito sensível, sujeita a
deterioração rápida. Com o desenvolvimento dos sistemas avançados de refrigeração e processo de pasteurização, a cerveja depois de envasada, torna-se mais estável, permitindo assim (MORADO, 2009).
Figura 2- Fluxograma do processo fabricação da cerveja premium
Fonte: Os autores, (2019)
O Quadro 1 representa o código “ tag ” e descrição de cada equipamento de operação unitária empregado no processo de produção de cerveja de alta fermentação ( ale ) com adjunto de café.
Quadro 1- Código e descrição dos equipamentos apresentados no fluxograma do processo
CÓDIGO DESCRIÇÃO MO-E1 Moinho de rolos múltiplos MI-E1 Misturador água-malte MO-E2 Tina de mosturação com peneira de fundo FE-E1 Tina de fervura TC-E1 Trocador de calor resfriador do mosto FE-E2 Dorna de fermentação FI-E1 Filtro prensa TC-E2 Trocador de calor tipo pasteurizador flash
Fonte: Os autores, (2019).
O Quadro 2 representa o código “tag” e descrição de cada corrente de entrada e saída envolvida no processo de produção de cerveja de alta fermentação ( Ale ) com adjunto de café.
equipamentos utilizados, sendo estas: moinho, mistura, mostura, filtração, fervura, resfriamento, fermentação, filtro e pasteurização.
3.1.1. Descrição e Detalhamento das Condições de Processo
O processamento da cerveja com adjunto de café inicia-se com a moagem do malte, por movimentos giratórios entre os rolos, acionados de forma elétrica (MOURA, 2018). O moinho a ser utilizado no processo será de três rolos formado por base, funil e manivela. O equipamento tem como finalidade macerar o malte, o qual será utilizado o tipo Munique, cereal ideal para cervejas de cor intensa e temperaturas elevadas. A máquina irá possuir um eixo de ⅝” e rolos com 1.1 /2”x 140 mm produzido com aço carbono 4140. Com capacidade produtiva de 1000 kg/h (SERRA INOX, 2019). A estrutura será composta por aço tubular, operando com em 1750 rpm. Referente a parte de regulagem, a mesma pode ser feita com o auxílio de parafusos e mancais laterais (CERVEJA DA CASA, 2019; FAZ TUA CERVEJA, 2019). O processo levará cerca de 30 minutos para que seja possível expor o grão do malte, reduzindo o diâmetro da partícula para aproximadamente 45𝜇𝑚, o valor é aproximado a partir do diâmetro médio, pois não é possível uniformizar todo o material particulado (KUNZE, 2006; PORTO, 2011; SENAI, 2014). A mistura é a etapa na qual o malte, já macerado, é adicionado de água. O tanque de mistura será confeccionado em aço inoxidável AISI 304, com capacidade de 3000 L, provido de impelidor tipo âncora, numa velocidade de 40 rpm para realizar homogeneização, o processo levará cerca de 30 minutos. O tanque é desprovido de sistema de aquecimento e isolamento térmico, na qual a temperatura ambiente, é de aproximadamente 15 a 30 °C, dependendo da época do ano e condições climáticas existentes no interior da fábrica, sendo essa uma pré etapa para o processo de mosturação (SERRA INOX 2019; VENTURINI FILHO, 2010). A etapa da mosturação iniciará a partir do aquecimento do mosto proveniente da etapa de mistura, a função é de obtenção de uma máxima quantidade de extrato do malte a partir dos ingredientes: malte, água e adjuntos. Este processo é conhecido como sacarificação, que transformará o amido em monossacarídeos e assim se tornará a base para a futura cerveja (VENTURINI FILHO, 2000; SILVA et al., 2008). A tina de mostura terá capacidade de 3000 L, será provida de agitador do tipo âncora constituído por três separações intermediárias, que irão realizar a mistura da suspensão de água, malte e como ingrediente adjunto, o café, que será incorporado na forma de grão torrado e moído (SPOGIS, 2002). No rotor, será aplicada uma rotação baixa, de até 40 rpm, conforme dados da indústria. O mosturador será um tanque
cilíndrico tipo padrão, confeccionado em aço inoxidável AISI 304, com isolamento térmico de lã de rocha (CORRÊA, 2017) para evitar perdas térmicas e manter a temperatura estável, sendo que a etapa deverá operar a 67 °C com funcionamento por camisa de vapor (SERRA INOX, 2019). O pH deverá ser mantido em torno de 5,5. Estas condições são eficientes para a ação das enzimas 𝛼-amilase e 𝛽-amilase, e decomposição do amido desejada. O tempo de mosturação será de 1,25 horas, tendo embasamento em dados da indústria e literatura. Haverá coletor de amostra acoplado ao equipamento (MOURA, 2018; CURI, 2006; SERRA INOX, 2019). No fundo do tanque de mosturação, haverá um filtro de fundo falso, composto por peneira/disco filtrante, para reter a parte grosseira do bagaço após o processo, cuja abertura da malha será 30% menor do que o diâmetro médio do malte macerado, sendo assim, o diâmetro dos orifícios circulares filtrantes será de 31,5𝜇𝑚 O filtro será acionado por uma válvula acoplada ao equipamento (HANSEN, 2011). Nessa etapa, há entrada de água de lavagem cuja finalidade é diluir o extrato de malte contido no bagaço quando o mosto é filtrado, sendo recomendado, conforme dados industriais e literários, de 4 a 5 litros de água de lavagem por quilograma de grãos que entra no processo (KUNZE, 2006; SENAI, 2014). Conforme informações obtidas da indústria, 1 kg de malte irá absorver em torno de 0,96 kg de água e o processo de filtragem leva em torno de 30 minutos. Após a filtragem, o mosto é transferido para um tanque de fervura de aço inox AISI 304 com capacidade de 4000 L. O equipamento fervedor irá operar a 101 ºC, em um tanque de camisa a vapor, operando com pressões que variam de 0,3 a 0,5 MPa (JIMEI, 2019) e um chapéu chinês (WDB, 2019) acoplado, fabricado também em aço inox AISI 304, que tem por finalidade a passagem e eliminação de vapor. O tanque será provido de sistema de isolamento térmico de lã de rocha (CORRÊA, 2017). A etapa de fervura possui uma taxa de evaporação de cerca de 9%, conforme Kunze (2006) e Moura, (2018), sendo o dado também, evidenciado em indústrias locais. Com a aplicação de altas temperaturas, o mosto é esterilizado e o fenômeno do whirlpool ocorre, havendo reações de Maillard. Ao final da etapa, será adicionado o lúpulo, que tem função de proporcionar aroma característico, sabor acentuado e amargor à cerveja (SOUSA; FOGAÇA, 2019). Após fervura, quando desligado o sistema de aquecimento, há uma queda gradativa da temperatura, com isso, alguns sólidos são retidos no fundo do tanque, em virtude da sedimentação das proteínas existentes no meio. O processo leva em torno de 1,15 horas (BRIGGS et al., 2004; KUNZE, 2006; MATOS, 2011; MELNIKOV, 2007; MOURA, 2018).