CONCENTRAÇÃO DOS ALIMENTOS POR EVAPORAÇÃO

CONCENTRAÇÃO
DOS ALIMENTOS
POR EVAPORAÇÃO

CONCENTRAÇÃO DOS ALIMENTOS
POR EVAPORAÇÃO
A evaporação consiste em concentrar os
alimentos líquidos por ebulição,
aumentando a concentração dos sólidos
totais para reduzir a a w, contribuindo para a
conservação.

CONCENTRAÇÃO DOS ALIMENTOS
POR EVAPORAÇÃO
⎫ Concentração de líquidos antes da aplicação de
outras operações (desidratação, congelamento,
esterilização): facilita o processamento e
proporciona considerável economia de energia.
⎫ Redução do peso e do volume dos alimentos
para facilitar e baratear os custos de transporte,
armazenamento e distribuição.
⎫ Facilitar o uso e diversificar a oferta de produtos.

Fundamentos
EVAPORAÇÃO
⎫ A evaporação, como procedimento de
eliminação da água por ebulição, necessita de
um meio de aquecimento que transmita o
calor requerido para a mudança de estado.
⎫ Na indústria alimentícia, normalmente utiliza-se
como fluido calefator vapor d’água saturado (vapor
primário), que condensa cedendo ser calor latente
ao produto que se evapora.

EVAPORAÇÃO
Fatores que modificam o ponto de ebulição
e a transferência de energia
⎫ A força motriz da transferência calórica no
trocador de calor de um evaporador é a diferença
de temperatura entre o meio de aquecimento e o
líquido a evaporar (∆T).
⎫ Utilizando o mesmo fluido calefator, os evaporadores
que trabalham em pressão reduzida apresentam maior
diferença de temperatura (devido à queda do ponto de
ebulição do líquido processado).

EVAPORAÇÃO
Fatores que modificam o ponto de ebulição
e a transferência de energia
⎫ Depósito de resíduos nas superfícies do
trocador de calor e formação de crostas:
favorecido por elevadas temperaturas e baixa
velocidade de fluxo do líquido.
⎫ Alimentos propensos a sofrer problemas de
desnaturação e precipitação de componentes
são processados em evaporadores de
circulação forçada.

EVAPORAÇÃO
Fatores que modificam o ponto de ebulição
e a transferência de energia
⎫ Película superficial: cria-se em torno da superfície
de aquecimento do evaporador, constituindo a maior
resistência à transmissão de calor.
⎫ Viscosidade do alimento: os coeficientes de
transferência de calor e a velocidade de circulação dos
líquidos no evaporador diminuem com o aumento da
viscosidade. À medida que avança a evaporação,
diminui a velocidade de transferência de calor.

EVAPORAÇÃO
Fatores que modificam o ponto de ebulição
e a transferência de energia
⎫ Formação de espuma estável: é favorecida
pela presença de proteínas e carboidratos no
alimento. A espuma, além de diminuir a
transferência de calor, dificulta a separação de
vapor e favorece que esse arraste parta do
concentrado em forma de finas gotículas.

EVAPORAÇÃO
Fatores que modificam o ponto de ebulição
e a transferência de energia
⎫ Pressão externa: um líquido ferve quando a
pressão de vapor que exerce é igual a pressão
externa a que está submetido.

EVAPORAÇÃO
Fatores que modificam o ponto de ebulição
e a transferência de energia
⎫ Concentração de solutos dissolvidos: no
evaporador, o ponto de ebulição do líquido tratado
aumenta à medida que cresce a concentração.

Gráficos de
Dühring para
diferentes
soluções de
hidróxido de sódio

EVAPORAÇÃO
Fatores que modificam o ponto de ebulição
e a transferência de energia
⎫ Pressão hidrostática: a temperatura de ebulição
do líquido tratado em um evaporador varia
conforme a profundidade. Em qualquer nível
abaixo da superfície livre, é necessário, para
iniciar a ebulição, que se ultrapasse a pressão do
meio e a correspondente à que é exercida pela
coluna do líquido situada acima do nível
considerado (pressão ou cabeça hidrostática).

EVAPORAÇÃO
Efeitos nas propriedade dos alimentos
⎫ Ajustar os equipamentos de modo que as
temperaturas de ebulição se mantenham baixas e
os tempos de permanência do produto nas zonas
de aquecimento sejam curtas.
⎫ Emprego de evaporadores que operam a
pressões reduzidas e permitem grande
desenvolvimento superficial.

EVAPORAÇÃO
Efeitos nas propriedade dos alimentos
⎫ Perda de aroma: a maioria dos compostos
responsáveis pelo aroma e, em alguns casos,
pelo sabor dos alimentos é mais volátil do que a
água. Em alguns casos, essa perda pode ser
benéfica, ao se eliminarem voláteis
desagradáveis (cacau, leite).

EVAPORAÇÃO
Efeitos nas propriedade dos alimentos
⎫ Mudanças de cor: os alimentos evaporados
geralmente apresentam cor mais intensa:
aumento da concentração dos sólidos e a
diminuição da a w favorece algumas reações
químicas (escurecimento não-enzimático).

Equipamentos e aplicações
Elementos básicos
EVAPORAÇÃO
1. O trocador de calor, que permite a transmissão
de calor entre o fluido calefator e o alimento.
Podem ser tubulares, placas, cônico.

Equipamentos e aplicações
Elementos básicos
EVAPORAÇÃO
2. O separador, no qual o vapor é separado da
fase líquida concentrada.
Podem ser simplesmente espaços que possibilitem ao
vapor secundário se separa do líquido concentrado.
Algumas instalações apresentam os chamados
separadores de arraste.

Equipamentos e aplicações
Elementos básicos
EVAPORAÇÃO
3. O condensador, que permite eliminar o vapor
d’água em forma de condensado. Nos sistemas
que operam com pressão atmosférica, esse
elemento pode ser omitido.

Equipamentos e aplicações
Elementos auxiliares
EVAPORAÇÃO
⎫ Nos sistemas que operam com pressão
reduzida, requer-se um equipamento adicional
que inclui, além dos condensadores de vapor,
as correspondentes bombas de vácuo ou
ejetores de vapor.

Equipamentos e aplicações
EVAPORAÇÃO
Elementos auxiliares: bombas de vácuo e
ejetores de vapor
⎫ O equipamento de vácuo é responsável pela
eliminação do sistema de gases não-condensáveis.
Diagrama
de ejetor
de jato de
vapor de
fase única

Equipamentos e aplicações
EVAPORAÇÃO
Elementos auxiliares: coletores de condensado
e purgadores
⎫ Esses elementos são essenciais para que a
transferência de energia seja adequada nos
trocadores de calor.
⎫ Dispositivos que permitem controlar a saída dos
condensados do vapor primário e dos gases inertes.

Equipamentos e aplicações
EVAPORAÇÃO
Sistemas de economia de energia
⎫ A eliminação da água dos alimentos por
evaporação requer aporte considerável de energia
(2,257 kJ por kg de água evaporada a 100 o C), que
geralmente é proporcionado com vapor d’água.
⎫ Os métodos para a conservação da energia
nos sistemas de evaporação baseiam-se
justamente no aproveitamento de calor contido
no vapor extraído do alimento.

Equipamentos e aplicações
EVAPORAÇÃO
Sistemas de economia de energia
⎫ Efeitos múltiplos: consiste em conectar diversos
evaporadores (efeitos) entre si, de forma que o vapor
secundário produzido em um deles seja utilizado
como vapor primário (ou fluido calefator) em outro, e
assim sucessivamente.

Evaporadores de
efeito múltiplo.
Métodos de
alimentação:
a) concorrente,
b) em contracorrente,
c) em paralelo e
d) mista.

Equipamentos e aplicações
EVAPORAÇÃO
Sistemas de economia de energia
⎫ Alimentação para frente ou concorrente: é o
procedimento mais simples, barato e fácil de
manejar, já que não necessita de bombas de
alimentação entre os diferente efeitos. O avanço do
líquido e o aproveitamento do vapor produzido
realizam-se no mesmo sentido.

Equipamentos e aplicações
EVAPORAÇÃO
Sistemas de economia de energia
⎫ Alimentação para frente ou concorrente: o vapor
secundário tem energia apenas para permitir que o
líquido ferva a uma temperatura inferior à do efeito
do qual procede, e a concentração do líquido
aumenta ao avançar pelos efeitos, é necessário que
o sistema funcione a pressões progressivamente
mais baixas.

Funcionamento de evaporador de efeito triplo com
alimentação para frente. F, alimentação; V v , vapor
primário; V, vapor secundário; q, calor transmitido; P,
pressão; t, temperatura; Ac, condensado; P, produto.

Equipamentos e aplicações
EVAPORAÇÃO
Sistemas de economia de energia
⎫ Alimentação para trás ou contracorrente: o avanço
do líquido tratado e o aproveitamento do vapor
liberado realizam-se em sentido contrário. Aquece-se
o alimento mais diluído com vapor procedente de um
efeito no qual se tratou produto mais concentrado, e
assim sucessivamente.

Equipamentos e aplicações
EVAPORAÇÃO
Sistemas de economia de energia
⎫ Alimentação em paralelo: é indicado para a
cristalização de alguns produtos, pois dispensa o uso
de bombas para ser transversado. O produto é
levado a termo em cada efeito, embora o vapor
liberado passe de um efeito a outro.

Equipamentos e aplicações
EVAPORAÇÃO
Sistemas de economia de energia
⎫ Alimentação mista: é utilizado nas instalações com
grande número de efeitos. Trata-se de uma
combinação da alimentação para frente (nas
primeiras etapas da evaporação) e de contracorrente
(nas últimas fases da concentração).

Equipamentos e aplicações
EVAPORAÇÃO
Sistemas de economia de energia
⎫ Recompressão mecânica do vapor: é outra forma
de aproveitamento do vapor secundário. Trata-se de
aumentar a pressão e, conseqüentemente, a
temperatura de condensação do vapor secundário
procedente de um evaporador para prosseguir a
evaporação do produto. A recompressão pode ser
feita utilizando bomba mecânica ou recorrendo ao
compressor de jato de vapor.

Diagrama de ejetor de jato de vapor de fase única

Evaporador de vários efeitos
com outros sistemas de
aproveitamento de energia.
a) Evaporador de dois efeitos
e termocompressor: 1.
Preaquecedor 1; 2.
Preaquecedor 2; 3. Primeira
etapa de evaporação; 4.
Separador de vapor. 1 a .
Etapa; 5. Segunda etapa de
evaporação; 6. Separador de
vapor, 2 ª etapa;
7. Termocompressor.
b) Evaporador de três efeitos
com compressão mecânica:
1. Termocompressor; 2.
Bomba de vácuo; 3.
Compressor de vapor.

Equipamentos e aplicações
EVAPORAÇÃO
Sistemas de economia de energia
⎫ Preaquecimento: uma forma simples de
conservação energética na evaporação consiste em
utilizar o vapor secundário do evaporador para
pré-aquecer o alimento antes de iniciar seu
processamento. Esse procedimento permite
incrementar entre 5 e 10% a capacidade do
evaporador seguinte.

EVAPORAÇÃO
Métodos de evaporação mais empregados
na indústria alimentícia
Evaporadores de
circulação natural
Evaporadores de
circulação forçada
Evaporadores de
baixa temperatura,
de ciclo de
refrigeração ou de
bomba calorífica

EVAPORADORES
DE CIRCULAÇÃO
NATURAL
1. Evaporadores abertos e fechados
2. Evaporadores de tubos curtos ou de
tubo e carcaça
Evaporadores de tubos curtos horizontais
Evaporadores de tubos curtos verticais
3. Evaporadores de tubos longos
Evaporadores de tubos longos de
película ascendente
Evaporadores de tubos longos de
película descendente
Evaporadores de película ascendentedescendente
4. Evaporadores de calandra externa

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de Circulação Natural
O movimento do líquido tratado deve-se às correntes
de convecção e à força de ascensão das borbulhas
de vapor, que o arrastam ao longo do trocador de
calor. A separação do vapor do líquido é favorecida
pelo movimento centrífugo do produto, ocorrendo na
zona superior do evaporador.

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de Circulação Natural
Evaporadores abertos e fechados
⎫ Recipiente de forma esférica que se aquece com
gás, com resistência elétrica ou com vapor d’água que
circula por uma serpentina ou por uma camisa externa.
⎫ Em alguns casos (evaporadores fechados), possuem
uma tampa que lhes permite funcionar a vácuo.

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de Circulação Natural
Evaporadores abertos e fechados
⎫ São utilizados na elaboração de sopas,
concentrados de polpa de tomate, molhos variados,
marmeladas e produtos de confeitaria e similares.

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de Circulação Natural
Evaporadores de tubos curtos ou de tubo e carcaça
⎫ Constam de recipiente ou carcaça com trocador de
tubos em sua parte inferior.
⎫ Os evaporadores de tubos curtos verticais costumam
ser utilizados para a concentração de xaropes (solução
de açúcar de cana, de beterraba, glicose), extrato de
malte, sal e suco de frutas.

Evaporadores
de tubos curtos:
a) evaporador
de tubos curtos
horizontais;
b) evaporador
de tubos curtos
verticais; e
c) evaporador
de tubos de
cesta.

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de Circulação Natural
Evaporadores de tubos longos
⎫ São formados por uma câmera vertical provida de
trocadores de calor de tubos verticais com 2,5 a 5,0 cm
de diâmetro e 3 a 15 m de altura. Esse tipo de
evaporador pode ser de película ascendente ou
descendente, dependendo da disposição da entrada de
líquido no trocador de calor.

Evaporadores de tubos longos:
a) evaporador de tubos longos de película
descendente; b) evaporador de tubos
longos de película ascendente-descendente.
Ebulição no interior do evaporador de
tubos longos de película ascendente.

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de Circulação Natural
Evaporadores de tubos longos
⎫ Caracterizam-se geralmente por tempo curto de
permanência na zona de aquecimento, por altos
coeficientes de transferência de calor e por grande
eficácia energética.
⎫ São indicados para o tratamento de produtos
sensíveis ao calor, como na elaboração de sucos
cítricos, de produtos lácteos, de extratos de leveduras
e na fabricação do amido.

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de Circulação Natural
Evaporadores de calandra externa
⎫ Sua característica é que o sistema de separação de
vapor secundário é externo à calandra.

Evaporador de circulação natural com calandra externa e
separador de ciclone.

EVAPORADORES
DE CIRCULAÇÃO
FORÇADA
1. Evaporadores de placas
2. Evaporadores de fluxo
expandido
3. Evaporadores de película
mecânica ou rotatórios

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de Circulação Forçada
⎫ Possuem bombas centrífugas (para líquidos menos
viscosos), bombas de deslocamento positivo (para
líquidos de maior viscosidade) ou diversos dispositivos
(como uma hélice impulsora nos evaporadores de
cristalização) que distribuem o líquido no interior do
trocador de calor e aumentam a velocidade de fluxo ao
longo das superfícies de aquecimento.

Evaporadores de
circulação forçada
com calandra
externa.

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de Circulação Natural
Evaporadores de placas
⎫ Utilizado para alimentos termossensíveis,
como extratos de leveduras, produtos lácteos e
extratos de carne.

Evaporador de placas

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de Circulação Natural
Evaporadores de fluxo expandido
⎫ O intercâmbio calórico realiza-se sobre cones
invertidos sobrepostos. Operam a vácuo.

Evaporador de fluxo expandido

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de Circulação Natural
Evaporadores de película fina mecânica ou rotatórios
⎫ Dispõem de um sistema mecânico que
permite distribuir o líquido a ser evaporado em
fina película.

Evaporadores de
película fina mecânica:
a) evaporador de
película fina; e
b) evaporador de
superfície varrida
horizontal.

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de Circulação Natural
Evaporadores de película fina mecânica ou rotatórios
⎫ São muito adequados para alimentos
termossensíveis, viscosos e com tendência a formar
espuma ou a aderir às superfícies quentes (polpa e
suco de algumas frutas, massa de tomate, estrato
de carne, cremes de cacau e café).
⎫ Em geral, utilizam-se como evaporadores de
acabamento de produtos previamente concentrados
em outro tipo de instalações.

EVAPORAÇÃO
Evaporadores de baixa temperatura, de ciclo
de refrigeração ou de bomba calorífica
⎫ Esses equipamentos trabalham a baixa pressão,
conseguido temperaturas de ebulição muito baixas,
da ordem de 20 o C, e tempos de evaporação curtos.

Evaporador de baixa temperatura, de ciclo de refrigeração
ou de bomba calorífica