MARCEL ASTOLPHE VINICIUS MÜHE CONSENTINO JORGE KEIJI RODRIGUES UEMURA BRUNO DEMANTOVA MARCOS COLONIEZI RAMON DALL AGNOL HEINZ KEFFLER THAYANE ROCHA MYKEILA RODRIGUES DE OLIVEIRA
PRODUÇÃO DE VINAGRE DE MAÇÃ
CURITIBA 2011 ii
MARCEL ASTOLPHE VINICIUS MÜHE CONSENTINO JORGE KEIJI BRUNO DEMANTOVA MARCOS COLONIEZI RAMON DALL AGNOL HEINZ KEFFLER THAYANE ROCHA MYKEILA RODRIGUES DE OLIVEIRA
PRODUÇÃO DE VINAGRE DE MAÇÃ Trabalho apresentado à disciplina INTEGRAÇÃO I, referente a segunda segunda parte desta. Orientadora: Profª Dra. Regina Maria Matos Jorge.
CURITIBA 2011 iii
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO........................................................................................5 2. LEGISLAÇÃO BRASILEIRA E PADRONIZAÇÃO................................8 3. COMPOSIÇÃO DO VINGRE..................................................................10 a. 3.1 Àcido Acético.......................................................................10 b. 3.2 Alcool etílico residual..........................................................10 c. 3.3 Extrato seco..........................................................................10 d. 3.4 Cinzas....................................................................................11 4. MATÉRIAS PRIMAS..............................................................................11 a. 4.1 Fermentado de maçã...........................................................11 b. 4.2 Microorganismos.................................................................12 5. RENDIMENTO E PRODUTIVIDADE......................................................13 6. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DO VINAGRE..................................15 a. Processo de Orleans..................................................................15 b. Processo Alemão................................................................16 c. Processo Submerso............................................................18 d. Processamento final do vinagre..........................................20 7. MEMORIAL DESCRITIVO...............................................................22 a. Balanço de Massa.................................................................22 b. Equipamento utilizados.......................................................24 i. Triturador.........................................................................24 ii. Tanques.....................................................................24 iii. Válvulas.....................................................................24 iv. Centrífuga..................................................................25 v. Bomba.........................................................................25 vi. Trocador de calor............................................................25 vii. Filtro...........................................................................25 viii. Fermentador.....................................................................25 ix. Acetificador.....................................................................25 x. Pasteurizador...................................................................26 xi. Tubulações.....................................................................26 8. REFERÊNCIAS..............................................................................27 4
1. INTRODUÇÃO
O vinagre, assim como o vinho, a cerveja, o pão, o queijo ,o kefir e o iogurte é um alimento fermentado conhecido a milhares de anos. Seu nome provém do francês vinaigre ou vinho azedo (SACHS, 1990; AQUARONE et al, 2001; MORETTO et al., 1988). Já conhecido há muito tempo, o vinagre, era originalmente obtido pela fermentação espontânea do vinho, outras bebidas fermentadas e de mostos de frutas deixados ao ar (SACHS, 1990; AQUARONE et al., 2001). Os povos antigos usavam o vinagre não só como condimento, mas também no preparo de bebidas, refrigerantes, na conservação de alimentos e até como medicamento e cosmético (MORETTO et al., 1988). Na antiga China, o jarro com vinagre era tido como símbolo da vida. Já há 5.000 anos, os egípcios, babilônios, indianos, gregos e persas conheciam a arte da fabricação do vinagre e sua versatilidade. O vinagre era mais do que um tempero picante para os alimentos, era o único meio de conservar a carne, o peixe e os legumes. Somente assim os alimentos perecíveis podiam ser transportados por longas distâncias (HEINIG, 2000). A fermentação alcoólica seguida da acética se produz espontaneamente sobre qualquer substrato açucarado exposto ao pó e aos insetos que transportam leveduras e bactérias. A acetificação também se realiza espontaneamente em vinhos e sidras de baixos teores de álcool expostos ao contato com o ar (SACHS, 1990). Diversos estudiosos se interessaram pelo estudo do vinagre ainda que, somente no século XVIII, alguns resultados mais próximos da realidade tenham sido publicados. Backer, na segunda metade do século XVII, foi o primeiro a constatar que o ar era imprescindível para a obtenção do vinagre (AQUARONE et al., 2001). Já em 1837, Kutzing, um botânico alemão, verificava a responsabilidade do microrganismo na formação de ácido acético e relatava suas experiências sobre a “mãe do vinagre” (AQUARONE et al., 2001). 5
Berzélio, químico prestigiado do século XVIII, afirmava em 1839 que a transformação de etanol a ácido acético não passava de processo exclusivamente químico de ordem catalítica (AQUARONE et al., 2001). Pasteur, entre 1864 e 1868 demonstrou, com detalhes em sua obra sobre o vinagre, a necessidade da presença de um ser vivo, segundo ele, Mycoderma aceti para a ocorrência da acetificação (AQUARONE et al., 2001). Ainda hoje em dia o vinagre continua a ser utilizado no mundo inteiro como condimento e conservante de alimentos. Além disso, é considerado um complemento indispensável à alimentação humana, pela ação nutritiva e biorregulatória (AQUARONE et al., 2001). Sob o aspecto nutricional, têm vitaminas, ácidos orgânicos, proteínas e aminoácidos provenientes do fruto e da fermentação alcoólica (AQUARONE et al., 2001). O vinagre de maçã se destaca entre os outros tipos de vinagres por possuir grandes teores de potássio, fósforo, magnésio, enxofre, cálcio, flúor e silício. A presença destes componentes e do ácido málico fazem do vinagre de maçã um alimento com grande potencial medicinal (RICHWARE, 2003). O vinagre de maçã possui ainda uma atividade bacteriana e fungicida que desempenha um papel importante na manutenção da flora intestinal. Além disso, ele contém dezenas de vitaminas, minerais, aminoácidos, enzimas e outros nutrientes importantes para a saúde como a pectina, que por ser uma fibra solúvel facilita a digestão das gorduras e proteínas (RICHWARE, 2003). A produção do vinagre é dada por dois processos bioquímicos distintos, ambos resultantes da ação de microrganismos: a fermentação alcoólica, pela ação de leveduras sobre matérias-primas açucaradas e amiláceas e a fermentação acética, pela ação de bactérias aeróbias do gênero Acetobacter (AQUARONE et al., 2001). A fabricação de vinagre proporciona um meio de utilização de matériaprima inaproveitável dos estabelecimentos industriais de frutas e especialmente
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de propriedades rurais, que de outra forma, não poderiam competir no m ercado (EVANGELISTA, 1989) Dentre os processos industriais utilizados na produção de vinagre, o mais difundido é o que utiliza cultura submersa através de forte aeração, com acetificadores do tipo Frings. O método Orleans, mais lento, é utilizado apenas nos estabelecimentos de pequeno porte, quando o objetivo é obter um produto de melhor qualidade (AQUARONE et al., 2001). Devido à natureza deste trabalho, será focada a produção do vinagre de maçã através de sua forma mais difundida. No Brasil, o Estado de Santa Catarina lidera a produção nacional de maçã, chegando a produzir no ano de 2002 aproximadamente 474,5 mil toneladas do fruto. O município de Fraiburgo lidera, com muita vantagem, a produção de maçã em Santa Catarina e no Brasil e mantém também o destaque de principal produtor brasileiro da fruta no país (CEPA, 2003). A maior parte da produção é destinada ao mercado interno, embora recentemente o estado venha exportando. Entretanto, uma considerável parcela dos frutos, principalmente aqueles não aprovados para consumo in natura, são processados industrialmente para obtenção de sucos, aromas, concentrados e vinagres (FISCHER, 2001). Objetiva-se no presente trabalho, o desenvolvimento de um projeto básico de indústria para produção de vinagre a partir da maçã.
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2. LEGISLAÇÃO BRASILEIRA E PADRONIZAÇÃO
Uma definição bem geral de vinagre é que o mesmo consiste no alimento do grupo dos condimentos obtido por fermentação alcoólica de matérias-primas açucaradas ou amiláceas, seguida de fermentação acética (AQUARONE et al., 2001). Denominam-se vinagres a todos os produtos resultantes da fermentação acética de diversos substratos alcoólicos, adicionando ao nome do vinagre o do substrato correspondente. Os vinagres devem conter quantidades determinadas de ácido acético e ingredientes opcionais tais como ervas, especiarias, sal e outros, conforme especificação do Codex Alimentarius, em quantidades suficientes para conferir um sabor e aroma peculiares. A legislação brasileira define que vinagre ou vinagre de vinho é o produto obtido da fermentação acética do vinho (BRASIL, 1990, 1988) e deve conter uma acidez volátil mínima de 40 g por litro expressa em ácido acético (4%). Sua graduação alcoólica não pode exceder a 1ºGL e deve ser obrigatoriamente pasteurizado. Um vinagre com concentração de 80 g por litro de acidez volátil é o concentrado de vinagre, usado exclusivamente para diluição (BRASIL, 1990). No Brasil, não é permitida a fabricação e venda de vinagre artificial, isto é, vinagre produzido a partir da diluição do ácido acético obtido a partir da síntese do etileno ou da destilação seca da madeira (BRASIL, 1990). A classificação dos vinagres brasileiros é feita de acordo com a Tabela 2.1:
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A produção de um bom vinagre depende de uma série de fatores como: • a linhagem e a seleção do microrganismo; • a matéria-prima; • a concentração do álcool; • a temperatura de fermentação (na faixa de 20º a 30ºC); • a quantidade de O2; • pH ótimo na faixa de 5 e 6; • a maturação e a conservação; • a clarificação, o envase, a pasteurização; • materiais de construção de tubulações, recipientes e depósitos.
A legislação brasileira estabelece que o vinagre de vinho deve apresentar-se límpido e com características sensoriais próprias. É proibido pela legislação brasileira a designação de vinagre de vinho para fermentados acéticos de outras frutas. O enquadramento analítico do vinagre de vinho, aos padrões estabelecidos pela legislação brasileira, é facilmente obtido, pois os limites são amplos. Outros componentes do vinagre, tais como metanol, acetoína, potássio, sódio, magnésio e fósforo também poderiam contribuir na caracterização do vinagre de vinho, depois de estudados e estabelecidos os limites adequados. Um dos problemas correntes do vinagre brasileiro é a designação de vinagre de vinho a produtos elaborados com álcool de cana-de-açúcar e pequena quantidade de vinho. Isso acontece devido ao menor preço do álcool de cana-de-açúcar em relação ao vinho. Considera-se, ainda, que com um litro de vinho obtêm-se entre dois e dois e meio litros de vinagre, enquanto que um litro de álcool produz entre 18 L e 20 L de vinagre, com 4% de ácido acético. Esse procedimento deixou de utilizar um volume considerável de vinho, com prejuízo para as regiões produtoras, para a tipicidade e a qualidade do vinagre de vinho. Atualmente, a determinação da proporção de isótopos estáveis do C 12/C13, presentes no ácido acético de vinagre, permite determinar se o ácido acético provém do álcool de cana-de-açúcar ou do vinho. 9
3. COMPOSIÇÃO DO VINAGRE A composição característica de um vinagre depende basicamente da matéria prima que o originou. Os vinagres obtidos de frutos ou de malte possuem composição mais complexa que o vinagre de álcool por conter praticamente todas as substâncias solúveis existentes na matéria-prima ou que se formaram nos processos fermentativos alcoólico e acético (AQUARONE et al., 2001).
3.1 Ácido acético O ácido acético (H3C –COOH), peso molecular 60,05616 e densidade 1,049g/mL, é o componente principal dos vinagres quaisquer que sejam o substrato alcoólico precedente e sua concentração é expressa em graus acéticos (gramas de ácido acético por 100 mL de vinagre) (AQUARONE et al., 2001). 3.2 Álcool etílico (etanol) residual Na fabricação industrial do vinagre objetiva-se alcançar o maior rendimento possível na transformação de etanol em ácido acético. Porém não se deve chegar ao esgotamento desse substrato, pois as bactérias acéticas, na ausência de álcool etílico, são capazes de promoverem a degradação do ácido acético produzido, o que torna o processo antieconômico (AQUARONE et al., 2001). No Brasil, a legislação estabelece um teor máximo de 1ºGL de álcool residual para os vinagres (BRASIL, 1990). 3.3 Extrato seco A determinação do extrato seco de vinagres é uma tentativa de evitar fraudes bastante utilizadas no passado, já que teores muito baixos ou muito altos de extrato seco podem indicar adulterações do produto (TAKEMOTO, 2000).
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No Brasil, a legislação estabelece um valor mínimo de 7 g.L-1 para vinagres de vinho tinto e rosados e 6 g.L-1 para vinagres de vinho branco (BRASIL, 1990). 3.4 Cinzas A determinação do teor de cinzas objetiva determinar os sais minerais contidos no produto. As considerações para o teor de cinzas são análogas para o teor de extrato seco dos vinagres. Um vinagre diluído e reconstituído parcialmente com ácido acético apresenta baixos valores para o teor de cinzas assim como valores muito altos podem indicar a adição de substâncias não voláteis (TAKEMOTO, 2000). A legislação brasileira estabelece um valor mínimo de 1 g.L-1 (BRASIL, 1990).
4. MATÉRIAS-PRIMAS 4.1 Fermentado de Maçã A maçã utilizada para a produção de vinagre não é de nenhuma variedade específica. Na verdade, o que determina se a maçã será processada são suas características físicas, sendo que as frutas com algum dano de qualidade ou fora das especificações são destinadas à fabricação de subprodutos, tais como o suco, a sidra e o vinagre. A matéria-prima utilizada para produção de vinagre de maçã é o fermentado de maçã (sidra). Este fermentado é geralmente pobre em matéria nitrogenada. O fermentado utilizado para a acetificação deve ter um teor alcoólico entre 7 e 9ºGL. Teores muito elevados (acima de 10ºGL) inibem o desenvolvimento das bactérias e teores muito baixos (abaixo de 5ºGL)
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produzem vinagres muito fracos e favorecem as contaminações (RIZZON et al., 1992). 4.2 Microorganismos Para a produção de vinagre, dois processos microbiológicos complementares e sucessivos são necessários: Primeiramente, faz-se uma fermentação alcoólica, processo anaeróbio, cujo agente fermentativo é a levedura e em seguida uma fermentação bacteriana, na presença de ar. Para a fermentação alcoólica, é descrito em literatura por alguns autores, as leveduras previamente presentes nos sucos de frutas e nas outras matérias-primas naturais ou então o fermento prensado. Para se conseguir um aroma agradável no produto final é, entretanto, melhor partir de cultura pura de saccharomyces cerevisiae ou, para o mostro de uva, S.cerevisiae var., ellipsoideus. (AQUARONE et al., 2001).
Para a acetificação não é comum o uso de culturas puras. Emprega-se geralmente uma microflora mista de Acetobacter contendo diferentes espécies ou variedades dessa bactéria, que é considerada mais eficiente. As características organolépticas apresentam grande dependência quanto às bactérias utilizadas no processo. Dessa formas, as bactérias acéticas constituem um dos grupos de microrganismos de maior interesse econômico, de um lado pela sua função na produção do vinagre e, de outro, pelas alterações que provocam nos alimentos e bebidas. Pela classificação atual, as bactérias acéticas pertencem à família Pseudomonodaceae
; aos gêneros Acetobacter e Gluconobacter . As principais
espécies de bactérias acéticas são: Acetobacter
aceti, Acetobacter pasteurianus;
Acetobacter xylinum, Acetobacter schützenbachii e Gluconobacter oxydans .
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As bactérias acéticas são particularmente instáveis, mostrando acentuado polimorfismo e variação da propriedade bioquímica. Em alguns casos, podem perder até mesmo a capacidade fundamental de oxidar o etanol a ácido acético. As principais espécies de Acetobacter , utilizadas na produção de vinagre, apresentam-se nas formas de bastonetes e cocos, formando correntes e filamentos. Em relação à temperatura, o melhor rendimento é obtido entre 25°C e 30°C, embora suportem temperatura mínima de 4°C a 5°C e máxima de 43°C. No entanto temperaturas inferiores a 15°C e superiores a 35°C tornam a fermentação acética muito lenta, pois reduzem a atividade bacteriana. Quanto ao álcool, a maior parte das espécies suportam até 11,0% v/v. Em relação ao ácido acético, as bactérias acéticas geralmente suportam até 10,0%. A bactéria acética ideal é aquela que resiste à elevada concentração de álcool e de ácido acético, com pouca exigência nutritiva, elevada velocidade de transformação do álcool em ácido acético, bom rendimento de transformação, sem hiper-oxidar o ácido acético formado, além de conferir boas características gustativas ao vinagre. Essas bactérias acéticas necessitam do oxigênio do ar para realizarem a acetificação. Por isso multiplicam-se mais na parte superior do vinho que está sendo transformado em vinagre, formando um véu conhecido como "mãe do vinagre". Esse véu pode ser mais ou menos espesso de acordo com o tipo de bactéria.
5. RENDIMENTO E PRODUTIVIDADE
O rendimento da reação de acetificação do etanol depende das espécies de Acetobacter dominantes no meio em fermentação e tem relação com a soma (%etanol + % ácido acético)(g/100ml), também chamada de G.K. O rendimento do processo depende também de outros fatores, como a taxa de 13
evaporação do álcool e do consumo de ácido formado por espécies superoxidantes indesejáveis (EBNER, et al, 1981), e que igualmente podem ser
controladas pela utilização de altos GK’s. Altas produtividades (alta produção por volume/mínimo tempo) conseguidas pelos modernos acetificadores submersos também dependem dessa concentração total selecionada, que, juntamente com um suprimento de oxigênio propício em todos os pontos do tanque, conseguem promover crescimento das bactérias a taxas tão elevadas quanto a 10 bilhões de células por ml de mistura. Cada indústria trabalha nas condições mais favoráveis possíveis (RIZZON et. al, 1982), porém não significa que sejam as mais produtivas, já que dependem de variáveis nem sempre sob controle total. A produtividade também apresenta grande variação em relação ao tipo do processo fermentativo utilizado. A tabela 5.1 relaciona algumas produtividades em função do processo adotado. É importante mencionar a enorme influência que a temperatura exerce no rendimento e na produtividade da fermentação acética, tanto em relação à bioquímica quanto aos parâmetros físico-químicos da fermentação; Tabela 5.1: Relação da produtividade do processo, de acordo com o processo adotado. Processo
Produtividade (g/L.h.)
Lento ou em superfície
0,05
Rápido ou alemão
1,0
Submerso
2,0
Vale ressaltar que estes são alguns fatores que alterariam o rendimento da reação, os termos numéricos ( balanço de massa ) das reações e etapas do processo, serão abordados no item 7.1.
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6. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE VINAGRES A acetificação pode se dar desde uma forma tão simples e artesanal quanto deixar uma mistura alcoólica ao ar num local com temperatura amena e arejado, quanto transformar mais complexamente todo etanol contido numa mistura hidroalcoólica em a ácido acético em apenas algumas horas de incubação. Os principais processos industriais utilizados para a fabricação de vinagres são baseados nos métodos de Orleans, Alemão ou submersos. 6.1 Processo de Orleans Conhecido também como lento, superficial ou estacionário, é o processo mais antigo (surgiu em 1670) utilizado até hoje para a fabricação caseira de vinagre. Produz vinagre de excelente qualidade empregando somente fermentado como matéria-prima (BELMONT, 2002). A Figura 6.1 esquematiza os recipientes utilizados para a obtenção de vinagre de vinho por esse processo.
Figura 6.1 - Recipiente usado no processo de Orleans para a produção de vinagre (AQUARONE et al., 2001).
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O vinagre é elaborado em barris de mais ou menos 200 litros, furando-o na parte superior, fazendo-se alguns orifícios para a entrada de ar. O procedimento consiste em colocar no barril cerca de um terço de sua capacidade com vinagre, vai-se adicionando quantidades de vinho ou o fermentado de fruta entre 10 a 15 litros por semana, durante um mês. Ao fim de cinco semanas se extraem aproximadamente 20 litros de vinagre, substituindose por outro tanto de vinho novo, repetindo-se desta forma o processo ao longo do tempo (CASTELO, 2002). A temperatura ambiente para este processo não deve exceder 25ºC, evitando-se assim perdas de álcool por evaporação. Todas as entradas e janelas do prédio, assim como as aberturas do barril, devem ser protegidas com telas finas para evitar a presença de moscas e outros insetos que são atraídos pelos odores dos vinagres (AQUARONE et al., 2001). O produto formado pelo processo lento é um vinagre de boa qualidade, praticamente limpo, que dispensa filtração ou clarificação. No entanto, este tipo de processamento é de baixa produtividade, ocupa muito espaço e atualmente é usado exclusivamente para a produção doméstica. No caso, o fator limitante para a quantidade produzida é o fornecimento de oxigênio, já que este equipamento não conta com nenhum tipo de aerador. 6.2 Processo Alemão Os processos rápidos são bastante utilizados atualmente. Foram idealizados por Boerhave no começo do século XVIII, ao descobrir que a transformação do vinho de maçãs em vinagre era bastante rápida quando deixava passar o vinho, através de um recipiente cheio de bagaços de maçã (AQUARONE et al., 2001). Atualmente são utilizados recipientes geradores, empacotados com material de enchimento dos mais diversos (por exemplo, a madeira). As bactérias acéticas colonizam a superfície do material e oxidam etanol a ácido acético. A matéria-prima é recirculada desde a parte inferior da tina até a parte superior. Este material passa pela madeira, sabugo ou carvão, onde as bactérias acéticas ficam fixadas, transformando o conteúdo alcoólico
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em ácido acético. A recirculação ocorre quantas vezes forem necessárias até a total transformação (CASTELO, 2002). Uma vez ocorrido o processo total, se descarrega a metade da tina de depósito, voltando a introduzir a mesma carga de vinho base. Um problema deste tipo de equipamento é que o material de enchimento acaba tendo que ser totalmente substituído a cada ano, pois as bactérias formam um material gelatinoso que obstrui a passagem da mistura (CASTELO, 2002) Por este processo se obtém um vinagre bom, porém com baixo rendimento. A Figura 6.2 mostra o gerador utilizado para a produção de vinagre.
Figura 6.2 - Gerador para a produção de vinagre com recheio (AQUARONE et al., 2001).
Os geradores têm tamanhos e formas diferentes. O tamanho varia entre 15 a 30 cm de diâmetro por 20 a 60 cm de altura. Geralmente são de forma cilíndrica e têm, no fundo, um suporte perfurado que sustenta o material de enchimento. Pelos orifícios de suporte, passa o ar a ser utilizado na oxidação. O material de enchimento deve formar grande superfície, para permitir o contato íntimo entre líquido e ar, facilitando as trocas, sendo utilizadas fibras de coco, carvão-coque, sabugo de milho ou outras. Sobre o material de 17
enchimento descansa uma placa crivada, para permitir uma perfeita distribuição do vinho que cai de um torniquete hidráulico ou de um bico aspersor, colocado na parte superior (AQUARONE et al., 2001). A acidez aumenta progressivamente conforme o líquido vai sendo passado, sucessivamente, duas ou três vezes pelo mesmo gerador ou através de geradores em série. Sendo o processo exotérmico, o líquido deve ser resfriado antes de entrar novamente para o gerador (AQUARONE et al., 2001).
6.3 Processos Submersos Surgiram em 1950. O método se baseia em manter a cultura de bactérias acéticas submergidas no vinho a acetificar, com um suprimento abundante de ar. Após a acetificação da matéria-prima, é feita a descarga de uma parte de vinagre, sendo reposta com uma parte de vinho, sem parar o processo. O processo de transformação leva em média 20 horas (CASTELO, 2002). O substrato alcoólico, por esse processo, pode ser fermentado trinta vezes mais rapidamente que por qualquer outro processo. Neste processo, o ar deve ser controlado cuidadosamente, pois um decréscimo da pressão parcial de oxigênio altera o metabolismo bacteriano (AQUARONE et al., 2001). O processo de acetificação é exotérmico e assim, deve permitir, através de serpentina, a dissipação térmica, possibilitando, dessa forma, o controle da temperatura dentro de uma faixa conveniente. O ótimo de temperatura de fermentação depende da concentração do substrato, sendo a mesma por volta de 28ºC. Um disco giratório no espaço livre do tanque evita a formação de excessiva espuma (CASTELO, 2002). O processo de fermentação submersa apresenta uma série de vantagens: 18
Alta eficiência: diariamente podem-se produzir cerca de 6% ou mais, de vinagre; Rendimentos: calculados em relação ao teórico, alcançam de 90 a 95%; Praticidade: dispensa tratamentos de clarificação e de filtração, via de regra, onerosos e demorados. O equipamento mais utilizado para a produção de vinagre em cultura submersa é conhecido pelo nome de acetificador de Frings, fabricado e patenteado pela Heinrich Frings-Bonn, Alemanha (AQUARONE et al., 2001). A produtividade média desses acetificadores é igual a 1/4 de seu volume útil em litros de vinagre a 10% ao dia (AQUARONE et al., 2001). A Figura 6.3 mostra o acetificador Frings em aço inoxidável utilizado na produção de vinagre
.
Figura 6.3 - Acetificador Frings em aço inoxidável (TAKEMOTO, 2000). 19
6.4 Processamento final do vinagre Antes de se colocar o produto para a comercialização este deve receber alguns tratamentos para melhorar e dar estabilidade ao produto final. Isto inclui o armazenamento após a fermentação, os processos de clarificação, filtração, envelhecimento, estabilização e envase. Após o término da fermentação, o vinagre não deve permanecer na vinagreira, pois se isto ocorrer as bactérias não tendo mais álcool para metabolizar, começam a oxidar o ácido acético, enfraquecendo o vinagre (SACHS, 1990). Sendo assim o vinagre já devidamente fermentado deve ser acondicionado em recipientes apropriados e serem mantidos sem o contato com o ar, pois sem oxigênio as bactérias são inibidas (SACHS, 1990). A operação de clarificação pode ser feita por diversos processos: espontânea ou autoclarificação; físico-química, química ou desmetalização; mecânica, através de substâncias orgânicas e inorgânicas usadas como clarificantes (albumina, argilas, bentonita, caseína entre outras) (SACHS, 1990, AQUARONE et al., 2001). A filtração pode ser definida como a separação de impurezas e de microrganismos do líquido com a ajuda de um material filtrante. É a operação que permite obter um vinagre límpido e brilhante (AQUARONE et al., 2001). Os tipos de filtração mais utilizados são , filtração a cartucho; filtração com extrato filtrante; membrana filtrante; filtro rotativo a vácuo e filtração por meio de fibras vegetais (AQUARONE et al., 2001). De acordo com a matéria-prima utilizada, vinho ou suco de frutas, o vinagre deve ser envelhecido por um tempo superior, às vezes, um ano. Durante esse tempo, ocorrem reações de esterificação, responsáveis pelo desenvolvimento de aromas agradáveis (AQUARONE et al., 2001). Com o envelhecimento o vinagre adquire um sabor e aroma mais suave perdendo a aspereza característica do produto novo (SACHS, 1990).
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A etapa de estabilização do vinagre permite manter suas características físico-químicas e organolépticas durante o período de comercialização. Pode ser feita por métodos físicos ou químicos. Os métodos físicos mais usados na indústria vinagreira são a pasteurização e a ultrafiltração. A pasteurização consiste em tratar o vinagre a temperaturas variáveis de 50 a 80ºC de modo a destruir totalmente os microrganismos e desativar as enzimas que são predominantemente a causa mais importante das alterações (oxidação do ácido acético) do vinagre. O tratamento do vinagre mediante calor pode ser uma alternativa eficaz e segura para uma melhor conservação do produto (AQUARONE et al., 2001). A pasteurização do vinagre pode ocorrer de duas maneiras: - rápida ou alta: 75-80ºC por 30-40 segundos; - baixa ou lenta: 50-65ºC por alguns minutos (20 a 30). Os métodos químicos consistem na adição de substâncias que auxiliam na estabilização do vinagre. A legislação brasileira prevê como forma de estabilização do vinagre o uso de dióxido de enxofre num teor máximo de 0,02 g por 100 mL de vinagre de vinho. O vinagre deve ser embalado em material resistente que não sofra corrosão e que não transmita cor ou odores desagradáveis ao produto, geralmente são utilizadas garrafas de vidro, PVC ou polietileno, fechadas com tampas plásticas. Após o envase, é feita uma pasteurização a 60- 66ºC, durante 30 min. Pode-se também fazer a pasteurização contínua e embalar subseqüentemente (AQUARONE et al., 2001). A retirada do ar é essencial para garantir a preservação do produto. Uma clarificação adequada, boa filtração, pasteurização e adição de conservantes são os parâmetros que definem a quantidade de ar a ser retirada no momento do envase (AQUARONE et al., 2001).
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7. MEMORIAL DESCRITIVO 7.1 Balanço de Massa A matéria prima para a fermentação alcoólica foi obtida a partir de 13033 kg de maçã (sem variedade especifica) que continha 15,25g de açúcares/100g (BRAZILIAN FRUIT, 2011) e foi previamente fragmentada e então posta em solução juntamente com o complexo enzimático. O processo de liquefação foi realizado a uma temperatura de 25°C, utilizando-se o complexo enzimático Ultrazym AFP-L (NovoZymes) em uma concentração 0,15ml.kg -1 durante 100 minutos e seu rendimento, após o procedimento de centrifugação, para a separação do suco (açúcares dissolvidos) do bagaço (matéria sólida, fibras e açúcares não extraídos) foi de 84% (OLIVEIRA, 2006). O volume da solução ajustado com água para 10000L. Segundo a composição da maçã: 13033kg de maçã
1994,05kg de açúcares
Com um rendimento de 84% na extração, teremos 1675,0kg de açúcares dissolvidos então nos 10000L de solução. Na fermentação alcoólica temos o consumo das moléculas de sacarose, glucose (PM=180,16g.mol -1) e frutose (PM=180,16g.mol -1) presentes na solução para a formação de etanol e gás carbônico segundo a equação 7.1.
1 Hexose + 2 ADP + 2 Fosfatos
2 EtOH + 2 CO2 + 2 ATP (eq. 7.1)
A fermentação acontece a uma temperatura de 20°C durante 8 dias, com levedura comercial Lalvin D47 da Lallemand ( Saccharomyces cerevisiae), o teor alcoólico foi medido em graus Gay Lussac e correspondeu a 7°GL (OLIVEIRA, 2006). Na solução de 10000L temos então 700L de etanol
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(PM=46,06g.mol-1 e densidade=0,789g.cm 3) que corresponde a uma massa de 552300g. Seguindo a relação para a geração do etanol: 1 Hexose 2 Etanol 180,16g 92,12g 1g 0,5113g
Dessa maneira se tivemos a geração de 552300g de etanol, a quantidade de açúcar consumida foi de 1080187g, deixando como sólidos solúveis restantes 594813g que correspondem a 5,94°Brix. A solução segue então para o acetador onde sofrerá a fermentação acética na presença de oxigênio. Para adequar o produto à legislação brasileira é preciso deixá-lo com etanol residual em uma concentração equivalente ou inferior a 1°GL, portanto o produto obtido pelo acetador contém 100L de etanol nos 10000L de solução, o que corresponde a uma massa de 78900g. Assim podemos encontrar a quantidade de etanol que foi consumida na reação de acetificação. Etanolconsumido= Etanolfermenado - Etanolresidual Etanolconsumido=552300g – 78900g Etanolconsumido=473400g O rendimento obtido foi o da conversão de 1g de etanol em 1,07g/L.h de ácido acético (PM=60,04 g.mol -1 e densidade=1,049g/cm 3). Portanto temos que a produção de ácido acético será: 1g Etanol 1,07g/L.h de Ácido Acético 473400g de Etanol
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506539g de Ácido Acético
A concentração do vinagre é medida segundo uma relação massa por volume, sendo g/100ml. Assim o produto obtido tem uma acidez total de 5.06%(m/v) de ácido acético, segundo a legislação brasileira. 7.2 Equipamentos utilizados 7.2.1 Triturador Utilizado para transformar um composto no estado sólido com certa dimensão, em uma dimensão menor do que a inicial. No processo de fabricação de vinagre de maçã, corresponde à primeira etapa logo antes da adição do complexo enzimático e da água. O triturador deverá ser de fácil limpeza e de grau alimentício, neste caso, não há a necessidade de se ter um motor de alta potência, dada a natureza do material a ser triturado. 7.2.2 Tanques Utilizados para armazenagem de produtos, subprodutos e reagentes do processo. Dada a natureza corrosiva dos intermediários e do produto f inal, os tanques de armazenagem, deverão ser todos em aço carbono austenítico ANSI 304. 7.2.3 Válvulas As válvulas são usadas em tubulações, entradas e saídas de vasos e de tanques em várias aplicações diferentes; neste caso, as principais são as seguintes:
Serviço de liga-desliga Serviço de controle proporcional Prevenção de vazão reversa Controle e alívio de pressão Controle de vazão direcional Limitação de vazão Selagem de vaso ou de tanque
Como a válvula está em contato direto com o fluido do processo o seu material interior deve ser escolhido para ser compatível com as características de corrosão e abrasão do fluido. A parte externa do corpo da válvula metálica escolhida será de aço inox ANSI 304. As partes internas, justamente aquelas que estão em contato com o fluido, são o interior do corpo, sede, obturador, anéis de engaxetamento e de vedação e também devem ser de material adequado, o material definido para esta foi o Teflon, que apesar de caro, apresenta alta resistência à corrosão, diminuindo assim a manutenção destas.
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7.2.4. Centrífuga A centrífuga no processo será uma centrífuga modelo BRPX-413 e será utilizada para a clarificação do material do tanque 01 (ver fluxograma em anexo), removendo assim o teor de sólidos (% de polpa) elevados, otimizando o processo industrial a clarificação do liquido processado. 7.2.5 Bombas Dado que no processo de fabricação do vinagre de maçã, não são envolvidas altas pressões e temperaturas, e que a viscosidade do ácido acético é 1,049kg/L,serão empregadas bombas centrífugas. Esse tipo de bomba apresenta-se vantajosa pelo custo do equipamento, de funcionamento e de sua manutenção. 7.2.6 Trocadores de calor É um dispositivo para transferência de calor entre dois meios, quando há uma diferença de temperatura entres estes. No caso, serão necessários nas correntes provenientes do acetificador e do pasteurizador. O trocador de calor utilizado será um de placas do tipo Danfoss, B3-052-54 -3.0-H. (DANFOSS, 2011) 7.2.7 Filtro Filtros objetivam a separação de um material sólido de granulação menor em comparação ao poro do filtro. Na corrente proveniente do acetificador, como penúltima etapa, o material deverá ser passado pelo filtro, visando um material clarificado, insento de partículas visíveis para o produto final. Por se tratar de um ácido, o filtro deverá também ser resistente à corrosão, ou seja, grau alimentício em aço inox ANSI 304,assim, para esse processo o filtro indicado seria um filtro Polidor. 7.2.8 Fermentador: É parte do equipamento do processo fermentativo, é o local das reações de fermentação do açúcar do suco de maçã pela ação de microorganismos, para a produção de etanol, também deverá ser grau alimentício, ANSI 304. 7.2.9 Acetificador O equipamento mais utilizado para a produção de vinagre em cultura submersa é o acetificador de Frings (figura 6.3). Esse aparelho é automatizado, de fácil manuseio e funcionamento. Por meio do processo submerso pode-se fabricar tanto vinagre de vinho como de álcool, com concentrações iniciais de álcool de 4 a 13% em volume e obter-se vinagre com concentrações até 10% e com rendimentos superiores a 90% (até 94% (LLAGUNO & POLO, 1991)). A 25
produção de vinagre é mais rápida e o produto obtido mais uniforme (LLAGUNO & POLO, 1991; AQUARONE et al, 1983; MECCA et al, 1979). Outra vantagem oferecida pelo método é o menor espaço ocupado pelo acetificado 7.2.10 Pasteurizador Corresponde ao equipamento onde será realizada a pasteurização do vinagre, processo que c onsiste em tratar o vinagre a temperaturas
variáveis de 50 a 80ºC de modo a destruir totalmente os microrganismos e inativar as enzimas adicionadas no processo. É uma alternativa eficaz e segura para uma melhor conservação do produto. No caso, será utilizado um pasteurizador de banho de água quente. 7.2.11 Tubulações A tubulação escolhida foi a de aço carbono austenítico tipo 304, utilizado normalmente na indústria de alimentos por ser barato e inoxidável, visto que a tubulação não pode intervir na qualidade do produto. A densidade do ácido acético é de 1,049kg/L que é igual a 1049kg/m 3, A vazão do produto considerado foi de 10000L/h que equivale a 0,00278m3/s, O produto é de baixa viscosidade e vai ser transportado com pressões inferiores a 40 bar, então foi escolhida a série 40 com o diâmetro nominal entre 11/4” e 11/2”,
visto que a velocidade ótima para um líquido com essa
viscosidade é entre 1,5m/s e 3,0m/s. 1,5
0,00278 = 3,0.A nominal = 11/4”
A=0,00185m2 pela tabela da norma ASA B.36.10,
A=0,00093m2 pela tabela da norma ASA B.36.10, diâmetro
Considerando que as tubulações industriais chegam quase que 25% do custo total e quanto maior o diâmetro maior o custo foi escolhido o diâmetro nominal de 11/4”.
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8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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