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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA ICARO NOGUEIRA ANÁLISE DE VIABILIDADE DA SUBSTITUIÇÃO DO SISTEMA DE FILTRAÇÃO EM UMA CERVEJARIA: ESTUDO DE CASO Lorena 2013

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

ICARO NOGUEIRA

ANÁLISE DE VIABILIDADE DA SUBSTITUIÇÃO DO SISTEMA DE FILTRAÇÃO EM UMA CERVEJARIA: ESTUDO DE CASO

Lorena

2013

ICARO NOGUEIRA

ANÁLISE DE VIABILIDADE DA SUBSTITUIÇÃO DO SISTEMA D E FILTRAÇÃO EM UMA CERVEJARIA: ESTUDO DE CASO

Monografia apresentada à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Industrial Químico.

Área de Concentração: Processos de Separação (Operações Unitárias). Orientador: Prof. M.Sc., Antônio Carlos da Silva Docente, Escola de Engenharia de Lorena – USP. Orientador Técnico: Engª. Danielle Cardoso de Oliveira Engenheira de Projetos – Especialista em Processos.

Lorena

2013

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho primeiramente ao Senhor meu Deus, que me concedeu

sabedoria, inteligência e graça suficientes para desenvolver todo o meu potencial.

Somente a Ele sejam tributados honra, glória e louvor para sempre. Amém!

Dedico também este trabalho à minha esposa Andréa, meu bem precioso, minha

ajudadora, a mulher que me compreendeu quando mais necessitei, que esteve ao meu

lado nos dias bons e também nos dias maus e que soube me amar, ainda que na

infinidade das minhas limitações. Muito obrigado, amo você!

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao Prof. M.Sc., Antônio Carlos da Silva pela disposição e paciência

para orientar-me durante todo este trabalho. Seu conhecimento e sabedoria foram

fundamentais para o meu desenvolvimento pessoal, profissional e acadêmico.

Agradeço à Engª Danielle Cardoso de Oliveira por ter dedicado o seu precioso e

escasso tempo ao meu aprendizado durante o período em que trabalhamos juntos. Sua

experiência, conhecimento e dedicação foram fundamentais para a minha plena

formação como Engenheiro.

Aos Mestres, meus sinceros agradecimentos.

“Your work is going to fill a large part of your life, and the only way to be truly

satisfied is to do what you believe is great work. And the only way to do great work is to

love what you do. If you haven't found it yet, keep looking. Don't settle.

As with all matters of the heart, you'll know when you find it.”

Steve Jobs, Founder of Apple Inc..

“E a todo o homem, a quem Deus deu riquezas e bens, e lhe deu poder para delas

comer e tomar a sua porção, e gozar do seu trabalho, isto é dom de Deus.”

Bíblia Sagrada, Eclesiates cap. 05 v.19.

RESUMO

NOGUEIRA, Icaro. ANÁLISE DE VIABILIDADE DA SUBSTITUIÇÃO DO

SISTEMA DE FILTRAÇÃO EM UMA CERVEJARIA: ESTUDO DE C ASO.

2013. 39 p. Monografia de Conclusão de Curso – Escola de Engenharia de Lorena,

Universidade de São Paulo, Lorena, 2013.

Atualmente os processos de separação, que são operações unitárias da

engenharia, são altamente difundidos em indústrias químicas em geral. O processo se

separação denominado filtração (ou operação unitária de filtração) tem como objetivo

separar os componentes de uma mistura sólido-fluido em suspensão através da sua

passagem uma barreira, ou meio poroso, chamado de filtro, com pequenos orifícios,

onde serão retidas as partículas sólidas presentes na mistura. O foco será

especificamente na aplicação deste processo de separação na indústria cervejeira, a qual

utiliza a filtração para dar “polimento” ao produto acabado, ou seja, retirar as partículas

sólidas em suspensão na cerveja fermentada e maturada. Este procedimento é de

fundamental importância na produção de cerveja, pois o consumidor final espera

degustar um líquido límpido e translúcido que traz consigo uma imagem de pureza e

qualidade. A presente monografia de conclusão de curso tem como objetivo realizar

uma análise técnica e financeira de um projeto a ser executado em uma cervejaria

internacional de grande porte, localizada na cidade de Jacareí/SP, na qual dois filtros de

terra diatomácea, ou Kieselguhr Filters (KGF) serão substituídos por filtros de

membrana, ou Beer Membrane Filters (BMF). Utilizar-se-á a metodologia baseada em

um estudo de caso, no qual serão coletadas especificações técnicas e de processo dos

filtros KGF instalados na cervejaria e as especificações de projeto dos filtros BMF a

serem instalados. Finalmente, será feito um estudo comparativo entre os dois modelos

de filtro, com foco em vantagens e desvantagens financeiras, qualitativas, operacionais e

de sustentabilidade.

Palavras-chave: Filtração, Membrana, Terra Diatomácea, Cerveja.

ABSTRACT

NOGUEIRA, Icaro. FEASIBILITY ANALYSIS FOR REPLACEMENT OF

FILTRATION SYSTEM IN A BREWERY: CASE STUDY. 2013. 39 p. Graduation

Course Conclusion Monograph – School of Engineering of Lorena, University of Sao

Paulo, Lorena, 2013.

Nowadays the separation processes, part of engineering unit operations, are

highly spread in chemical industries in general. The separation process called Filtration

(Filtration Unit Operation) has the main objective to separate component from a solid-

fluid mixture in suspension, through the passage of fluid by a barrier, or porous

medium, called a filter with small orifices, which retains the solid particles present in

the mixture. The focus are specifically on the application of this separation process in

beer industries, which use filtration to give a bright aspect to the final product, thus,

remove all solid particles in suspension in fermented beer and matured. This procedure

has a fundamental importance in the beer production process, because the final

costumer is just eager about appreciate a clear and translucent liquid which keeps on it

the purity and quality aspects. This work has the objective to perform a technical and

financial analysis of a project to be executed in a large international brewery, situated in

Jacarei city, Sao Paulo state, were the Kieselguhr Filters (KGF) will be replaced for

Beer Membrane Filters (BMF). It will use a methodology based on a case study, which

will collect detailed technical and process specification of KGF filters installed at the

brewery and the project specifications of BMF filters to be installed. Finally, a

comparative study will be done between two filter models, focusing on financial,

qualitative, operational and sustainability advantages and disadvantages.

Keywords: Filtration, Membrane, Diatomaceous Earth, Beer.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Esquema conceitual do processo de filtração ................................................ 16

Figura 2 – Micrografia de uma amostra de terra diatomácea ......................................... 17

Figura 3 – Filtro de terra diatomácea (KGF) .................................................................. 18

Figura 4 – Dead-end filtration (A) e Cross flow Filtration (B) ...................................... 21

Figura 5 – Ilustração do fluxo na superfície da membrana ............................................ 22

Figura 6 – Fluxograma básico de processo (KGF) ......................................................... 25

Figura 7 – Fluxograma básico de processo (BMF) ........................................................ 26

Figura 8 – Planta baixa da instalação fabril .................................................................... 34

Figura 9 – Vista lateral da instalação (back/left) ............................................................ 34

Figura 10 – Instalação do sistema BMF na cervejaria .................................................... 35

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Parâmetros de qualidade da cerveja .............................................................. 28

Tabela 2 – Cálculo da capacidade produtiva da cervejaria ............................................ 29

Tabela 3 – Cálculo da taxa de filtração .......................................................................... 29

Tabela 4 – Estimativa de custos do projeto .................................................................... 30

Tabela 5 – Estimativa de dados operacionais (BMF) ..................................................... 30

Tabela 6 – Análise comparativa de custos...................................................................... 31

Tabela 7 – Vantagens x Desvantagens: BMF/KGF ....................................................... 33

Tabela 8 – Cronograma do projeto ................................................................................. 36

LISTA DE SIGLAS

BMF – Beer Membrane Filter

KGF – Kieselguhr Filter

FST – Fermentation Static Tank

UBT – Unfiltered Buffer Beer Tank

PVPP – Polivinilpolipirrolidona

CIP – Clean In Place

OPI – Operational Performance Index

SBF – Soak Back Flush

LISTA DE SÍMBOLOS

MPa Mega Pascal (N/m2)

µm Micrômetros (10-6m)

Da Dalton (1g/mol)

bar Unidade de pressão (105 Pa)

τxy Tensão de cisalhamento do fluido

du/dy Taxa de deformação do fluido

Cnr Concentração na superfície da membrana

C0 Concentração de alimentação da membrana

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 13

2. OBJETIVO .............................................................................................................. 14

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................ 15

4. METODOLOGIA ................................................................................................... 24

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................ 25

6. INSTALAÇÕES DO SISTEMA BMF ................................................................... 34

7. CRONOGRAMA DE PROJETO............................................................................ 36

8. CONCLUSÕES ....................................................................................................... 37

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 38

13

1. INTRODUÇÃO

O principal fator de motivação para a execução desta monografia de conclusão

de curso é estudar vantagens e desvantagens da substituição do sistema de filtração em

uma cervejaria, que objetiva a eliminação da obsolescência de dois filtros KGF

instalados há aproximadamente vinte anos, e que atualmente apresentam problemas

operacionais, tais como: passagem de leveduras, contaminação microbiológica e falta de

confiabilidade de processo. Com a aquisição e instalação dos filtros BMF, esta

cervejaria pretende garantir a produtividade planejada, de forma a evitar problemas com

os filtros que causem a parada da produção em um momento de grande demanda do

sistema.

Listados abaixo, estão algumas das principais razões para a substituição dos

filtros KGF por filtros BMF:

� Necessidade de maior flexibilidade no processo cervejeiro, devido à

diferenciação dos produtos.

� Pressão por disponibilidade de matérias-primas de alto padrão e

consistência da qualidade do produto final.

� Necessidade de redução das despesas operacionais em um ambiente

global competitivo.

� Metas ambiciosas de sustentabilidade em áreas tais como: redução do

consumo de água e energia, além da redução de resíduos industriais.

� O sistema BMF oferece: Qualidade constante da cerveja filtrada,

melhorias na estabilidade de sabor, um ambiente de trabalho mais

seguro, além de menores custos operacionais.

14

2. OBJETIVO

O objetivo principal desta monografia de conclusão de curso é a realização de

uma análise qualitativa dos aspectos técnicos e econômicos envolvidos na aquisição e

instalação de um sistema de filtração por membrana com capacidade de filtração de 750

hL/h de cerveja concentrada, com possibilidade de expansão para 900 hL/h, mediante a

aquisição de um skid (módulo) adicional (150hL/h). Este novo sistema de filtração

substituirá o atual sistema instalado em uma cervejaria localizada na cidade de Jacareí,

estado de São Paulo, que opera com dois filtros KGF utilizando terra diatomácea como

meio filtrante, com capacidade de filtração de 800 hL/h de cerveja não diluída.

15

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1) Definição: Fluidos e Meios Porosos.

Meio Poroso: Pode-se definir um meio poroso como um meio sólido que

contém poros. Poros são espaços “vazios” que podem ser distribuídos de diversas

maneiras no meio. Além disso, os meios porosos podem ser classificados como tendo

seus poros interligados ou não. No caso de poros interligados, a parte sólida do meio

poroso representa a fase dispersa (e.g. meios porosos granulares, fibrosos, etc.).

Também podem ser naturais (e.g. rochas, solo, etc.) ou sintéticos (e.g. leitos fluidizados,

filtros industriais, etc.). Finalmente outra classificação se baseia na distribuição espacial

dos poros, que podem estar distribuídos ordenadamente ou de maneira aleatória, esta

última abrangendo a grande maioria dos meios naturais (BARROS, 2008).

Fluido: Um fluido, por definição, é uma substância que se deforma

continuamente sob ação de qualquer força tangencial. Nesta definição, não é levada em

consideração à estrutura molecular do fluido, que é composto de diversas moléculas em

movimento. Os fluidos nos quais a taxa de deformação é diretamente proporcional à

tensão de cisalhamento, são denominados “fluidos newtonianos”. A constante de

proporcionalidade recebe o nome de viscosidade absoluta, ou dinâmica, µ. Portanto, a

Lei de Newton é dada, para o escoamento unidimensional, pela Equação (1):

τxy = µ.du/dy (1)

τxy é a tensão de cisalhamento e du/dy representa a taxa de deformação.

O modelo de fluido ideal (fluido invíscido) supõe viscosidade nula. Os

escoamentos nos quais os efeitos da viscosidade são desprezados são denominados não

viscosos. Apesar de não haver fluidos sem viscosidade, em muitos casos a hipótese da

inexistência de forças viscosas simplifica a análise e, ao mesmo tempo, leva a resultados

práticos significativos.

16

Os regimes de escoamento viscosos são classificados como laminares ou

turbulentos, tendo por base a sua estrutura. No regime laminar, a estrutura do

escoamento é caracterizada pelo movimento suave em camadas, já no escoamento do

tipo turbulento a estrutura é caracterizada pela interposição das camadas (FOX et al.,

2006).

3.2) Processos de Separação: Filtração

Define-se filtração como a Operação Unitária na qual se separa uma mistura

sólido-fluido em suspensão através da passagem do fluido por uma barreira ou meio

poroso denominado filtro, com pequenos orifícios nos quais são retidas as partículas de

sólidos presentes na mistura. Estes filtros podem ser constituídos de diversos materiais.

A escolha de um filtro para um processo específico deve levar em conta os

fatores relacionados à finalidade do serviço, bem como também às características do

equipamento e do meio filtrante a serem utilizados. (BLACKADDER, 2004)

Muitos fatores como porosidade (fração do volume não ocupado pela própria

membrana), densidade dos poros (número de poros por unidade de área de superfície da

membrana), permeabilidade, saturação, tipo de fluido, diâmetro das partículas injetadas,

diâmetro dos grãos que compõe o meio poroso, geometria dos grãos, entre outros,

afetam o transporte de fluidos e a retenção de partículas no meio poroso. (BARROS,

2008). A Figura 1 ilustra um esquema conceitual do processo de filtração.

Figura 1 - Esquema conceitual do processo de filtração

17

3.3) Processos de Separação: Filtração em leito de Terra Diatomácea

A diatomita, conhecida também como diatomácea, é um material de origem

sedimentar, constituída de acumulação de carapaças ou frústulas de algas diatomáceas

microscópicas, que se fossilizaram pelo depósito de sílica sobre a sua estrutura. Sua

microestrutura é formada de sílica amorfa hidratada (SiO2.nH2O) com cerca de 3 a 10%

em peso de água intercristalina ou opalina e impurezas como quartzo, óxidos de ferro,

alumínio, sódio, potássio, cálcio, magnésio, matéria orgânica, entre outros (HORN,

1980). A diatomita se caracteriza por apresentar baixa densidade aparente, alta

abrasividade, aspecto pulverulento, propriedades isolantes, apresentando no estudo

bruto cores que variam do branco ao cinza, de acordo com o teor de matéria orgânica

(MELO, 1989).

A diatomita tem uma combinação única de propriedades físico-químicas, tais

como alta porosidade, alta permeabilidade, pequeno tamanho de partículas, grande área

de superfície, baixa condutividade térmica e inércia química que a tornam adequada

para diversas aplicações industriais. Dentre estas aplicações podemos citar o uso como

agentes filtrantes no processamento de alimentos líquidos e fluidos químicos

(INGLETHORPE, 1993). As propriedades da superfície da diatomita como hidrofobia,

solubilidade, carga, acidez, troca iônica e capacidade de adsorção, são altamente

reguladas pela presença de água, que é estruturalmente ligada à malha de cristal da

diatomita, formando grupos ativos de hidroxila sobre ele (YUAN et al., 2004)

A Figura 2 ilustra uma micrografia de uma amostra de terra diatomácea.

Figura 2 - Micrografia de uma amostra de terra diatomácea

18

A terra diatomácea é utilizada como meio filtrante nos filtros do tipo KGF em

um processo de filtração de cerveja. Com o objetivo de atingir as especificações de cor e

turbidez do produto acabado (polimento), a cerveja passa por um filtro KGF de placas

horizontais cobertas por um leito filtrante formado por camadas de terra diatomácea.

A Figura 3 ilustra um filtro de terra diatomácea (KGF).

Figura 3 - Filtro de terra diatomácea (KGF).

3.4) Processo de Separação: Filtração por Membrana

Uma membrana é, basicamente, uma barreira que separa duas fases e que

restringe, total ou parcialmente, o transporte de uma ou mais espécies químicas

presentes nas fases. Para que ocorra o transporte de uma espécie química através de uma

membrana, é necessária a existência de uma força motriz, por exemplo, o gradiente de

potencial químico e/ou o gradiente de potencial elétrico agindo sobre essa membrana.

Os processos de separação por membranas são, em sua maioria, atérmicos, e o gradiente

de potencial químico pode ser expresso, apenas, em termos dos gradientes de

concentração e de pressão. (ALMEIDA, 2011)

19

As vantagens desta operação em relação a outros processos de separação, tais

como extração e absorção, são:

� Economia de energia: Os processos de separação por membrana, em sua grande

maioria, promovem a separação sem que ocorra a mudança de fase.

� Seletividade: Em algumas aplicações técnicas, os processos de separação por

membrana se apresentam como única alternativa técnica de separação por serem

mais seletivos.

� Separação de compostos termodegradáveis: Os processos de separação por

membrana são, em geral, operados em temperatura ambiente e por este motivo,

são indicados para separação de compostos que podem sofrer alterações em suas

propriedades físico-químicas, quando submetidos a altas temperaturas.

� Simplicidade de operação e escalonamento: Ao contrário dos demais processos

de separação, o processo de separação por membranas apresentam simplicidade

operacional e de escalonamento (scale up). Os sistemas são modulares e os

dados para o dimensionamento de uma planta podem ser obtidos a partir de

equipamentos piloto, operando com módulos de membrana de mesma dimensão

daqueles utilizados industrialmente.

A separação por membranas compete com outros métodos de separação, tais

como a adsorção seletiva, absorção por solventes, cristalização, entre outras técnicas.

Nas operações governadas por diferença de pressão, tais como a filtração clássica, a

microfiltração e a ultrafiltração, a separação das partículas e macromoléculas ocorre em

função de suas dimensões e/ou de suas massas molares médias.

Em função da morfologia da membrana e do tipo de força motriz empregada, o

transporte das diferentes espécies através da membrana pode ocorrer tanto pelo

mecanismo de convecção quanto pelo mecanismo de difusão. A difusão ocorre devido

às interações moleculares entre a espécie química e o meio, enquanto que a convecção

ocorre através do transporte de espécies químicas devido ao movimento do meio ou

suspensão em que a espécie química se encontra.

As membranas sintéticas comerciais são produzidas a partir de duas classes

distintas de material: polímeros, em sua grande maioria materiais orgânicos, e os

inorgânicos como metais e cerâmicos. Normalmente as membranas de natureza

20

orgânica apresentam menor custo de produção, no entanto as inorgânicas apresentam

uma maior vida útil e permitem limpezas mais eficientes.

O desempenho de separação das membranas é afetado pela sua composição,

temperatura, pressão, vazão de alimentação, interações entre os componentes da

suspensão e a superfície da membrana. (LIN et al., 1997)

As membranas industriais podem ser classificadas em várias categorias com

base na pressão a ser utilizada e na massa molar dos solutos a serem separados:

� Microfiltração: Utiliza pressões inferiores a 0,2 MPa e separa moléculas

entre 0,025 e 10 µm.

� Ultrafiltração: Utiliza pressões acima de 1,0 MPa e geralmente separa

partículas de peso molecular entre 1 e 300 Da.

� Nanofiltração: Utiliza pressões entre 1 e 4 MPa e separa partículas de

massa molar entre 350 e 1000 Da.

� Osmose Reversa: Utiliza pressões entre 4 a 10 MPa e separa partículas de

massa molar menores que 350 Da. (SNAPE; NAKAJIMA, 1996).

3.5) Microfiltração por Membranas:

A microfiltração é o processo de separação com membranas mais próximo da

filtração clássica. Utiliza membranas porosas com poros de tamanhos entre 0,1 e 10 µm,

sendo, portanto, indicado para retenção de materiais em suspensão e emulsão. Como as

membranas de microfiltração são relativamente abertas, as pressões empregadas como

força motriz para o transporte transmembranar são pequenas, não ultrapassando 3 bar.

Na microfiltração, o solvente e todo o material solúvel permeiam a membrana,

apenas o material em suspensão é retido (PORTER, 1990). Uma série de materiais com

boas propriedades mecânicas e estabilidade química foram desenvolvidos para o uso em

membrana, estes incluem copolímeros, poliacrilonitrilo-poli(cloreto de vinilo), poli

(fluoreto de vinilideno), polissulfona, triacetato de celulose, e vários nylons.

Muitas vezes a membrana é constituída por várias camadas: um pré-exterior

recebe a suspensão a ser filtrada, seguido por um filtro de membrana mais fina

(PORTER, 1990).

21

A filtração do fluxo normal, igualmente referida como filtração direta (dead-end

filtration), é usada primeiramente para os sistemas em que os componentes retidos estão

em concentração muito baixa na alimentação. Os dispositivos de grande escala de

ultrafiltração usam a filtração por fluxo tangencial (cross flow filtration) em que o fluxo

da alimentação está paralelo à membrana e perpendicular ao fluxo do filtrado. O fluxo

tangencial permite que a espécie retida seja varrida ao longo da superfície da membrana

para fora do dispositivo, aumentando significativamente o fluxo do processo comparado

a aquele obtido na filtração do fluxo normal (VAN REIS; ZYDNEI, 2007).

A Figura 4 ilustra os dois tipos de fluxos de filtração citados acima.

Figura 4 - Dead-end filtration (A) and Cross flow Filtration (B)

3.6) Filtração Tangencial (cross flow filtration)

A filtração tangencial possui grande eficiência no processo de remoção de

partículas que, de acordo com o diâmetro médio ou peso molecular das partículas

removidas podem ser de microfiltração, ultrafiltração e nanofiltração.

No processo de filtração tangencial, a pressão impulsiona somente parte da

suspensão através da membrana, enquanto que a outra parte do produto flui

tangencialmente à superfície da membrana. A separação de partículas de espécies

distintas ocorre espontaneamente em função de seus tamanhos, independentemente da

temperatura e do material a separar (RIPPERGER; ALTMANN, 2002).

22

Durante a filtração tangencial, partículas dentro do fluxo de alimentação são

convectivamente dirigidas à superfície da membrana onde elas se acumulam, enquanto

que o movimento difusivo causa um transporte dessas partículas, oposto ao transporte

convectivo do escoamento de filtrado (permeado).

O acúmulo de partículas próximo à superfície da membrana é conhecido como

concentração de polarização. A concentração de polarização é um fenômeno inerente à

membrana que provoca um aumento adicional na resistência hidráulica para o fluxo de

permeado e, consequentemente, o declínio do fluxo ao longo do tempo.

Um melhor conhecimento da formação da camada e da deposição das partículas

na membrana poderia resultar em um uso econômico da filtração tangencial em muitas

aplicações técnicas (RIPPERGER; ALTMANN, 2002).

A concentração de soluto na região adjacente à membrana varia do valor da

concentração na superfície da membrana, representada por Cnr, até a concentração de

alimentação, representada por C0. A distância entre os valores de Cnr e C0 é

caracterizada como a espessura da camada limite de concentração, representada por δ,

como ilustrado na Figura 5 (ZEMAN; ZYDNEY, 1996).

Figura 5 - Ilustração do fluxo na superfície da membrana

O fluxo de água pura nas membranas de microfiltração e de ultrafiltração é

frequentemente muito alto, no entanto, quando as membranas são usadas com distintas

soluções macromoleculares ou coloidais, o fluxo cai dentro de poucos segundos

ocasionado principalmente pela obstrução dos poros.

Após a obstrução dos poros ocorre a formação de uma camada mais densa de

partículas chamada de torta, formando uma segunda etapa da filtração onde o declínio

23

do fluxo ocorre de maneira mais gradual até se estabilizar com o tempo. A incrustação

ocasiona o fenômeno chamado fouling, que é definido como a deposição do material

sólido na superfície interna da membrana consolidada ao longo do tempo de uso da

mesma.

Esta camada de incrustação pode ter sua espessura diminuída ou controlada pela

alta turbulência do fluxo de alimentação, pela limpeza regular da membrana entre os

ciclos de uso e pela utilização de material da membrana que minimize a aderência de

incrustante em sua superfície. As incrustações são geralmente reversíveis, no entanto,

incrustações internas causadas pela penetração de matéria sólida no poro da membrana,

que resulta na constrição dos poros, são geralmente irreversíveis.

Caso o ciclo de limpeza for repetido muitas vezes, em decorrência das

incrustações irreversíveis, o fluxo da membrana após a limpeza, eventualmente, não

retorna ao seu valor original, quando a membrana ainda estava em seu primeiro ciclo de

uso.

Ainda não está muito claro como os parâmetros básicos, tais como taxa de

cisalhamento, pressão do fluxo e tamanho da partícula, afetam o processo de incrustação

em filtração de fluxo cruzado. O conhecimento dos mecanismos de incrustações e a

apresentação de dados quantitativos do processo de fouling permanecem como grandes

desafios no estudo dos fatores que afetam a eficiência das membranas.

24

4. METODOLOGIA

A presente Monografia seguirá as seguintes diretrizes:

� Natureza da Pesquisa: Aplicada, baseando-se em um projeto industrial.

� Método de Pesquisa: Será adotado o modelo de Estudo de Caso.

� Tipo de Abordagem: Qualitativa, com foco em vantagens e desvantagens

de dois modelos de filtros diferentes.

� Objetivos da Pesquisa: Analisar aspectos técnicos e econômicos de dois

sistemas de filtração diferentes.

� População e Amostra: Serão consideradas duas linhas de filtração em

uma cervejaria de grande porte, localizada na cidade de Jacareí/SP.

� Coleta de Dados: Serão coletados os dados de processo dos filtros a

serem substituídos (KGF) e dimensionados os parâmetros de projeto para os

filtros a serem instalados (BMF). Além de parâmetros de funcionamento, serão

coletadas informações relativas à qualidade, produtividade, desempenho,

sustentabilidade, custos operacionais, entre outros que sejam relevantes para o

tema.

� Análise de Dados: A avaliação e análise dos dados coletados serão feitas

mediante a elaboração de um estudo comparativo entre os parâmetros técnicos

e econômicos dos dois tipos de filtros.

25

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1) Fluxograma Básico de Processo (KGF)

A Figura 6 mostra o fluxograma básico de processo do sistema que utiliza a

filtração por terra diatomácea. A cerveja fermentada e maturada é armazenada no

Tanque Estático de Fermentação (FST) e enviada via tubulações para o Filtro de Terra

Diatomácea (KG Filter), onde parte do líquido acumula-se no Tanque de Cerveja Não-

Filtrada (UBT). Após a filtração, são injetados diretamente na linha de tubulações água

desaerada e gás CO2 para que o produto atinja as especificações desejadas. A cerveja

filtrada e corrigida em relação ao seu extrato (concentração em ºP) e CO2 passa por um

filtro de segurança que tem a função de garantir que as partículas que ainda

permaneceram em suspensão no líquido após terem passado pelo filtro KGF sejam

capturadas. Finalmente a cerveja filtrada é armazenada em tanques pulmão conhecidos

como Tanques de Cerveja Filtrada (BBT), antes de serem enviadas para as máquinas

enchedoras, que realizarão o envasamento do produto final em diversos tipos de

embalagens, tais como: barris de aço inoxidável, garrafas de vidro e latas de alumínio.

Figura 6 – Fluxograma básico de processo (KGF)

26

5.2) Fluxograma Básico de Processo (BMF)

A Figura 7 mostra o fluxograma básico de processo do sistema que utiliza a

filtração por membranas (BMF). O fluxo é muito semelhante ao apresentado

anteriormente na Figura 6, porém neste processo existe um sistema de CIP (Clean In

Place) dedicado à limpeza do sistema de filtração, bem como das tubulações e tanques

envolvidos no processo. Nota-se também que existe um refluxo de cerveja filtrada que

tem origem no filtro de membranas (Membrane Filter) e que realimenta o sistema em

dois pontos diferentes, para o UBT e para a linha imediatamente anterior ao filtro BMF.

Este refluxo tem a função de otimizar a operação de filtração e garantir as

especificações requeridas.

Figura 7 – Fluxograma básico de processo (BMF)

5.3) Análise Técnica:

5.3.1) Considerações:

A linha de filtração de cerveja por sistema de membranas será equipado com

cinco skids (módulos) de filtração, cada um será adequado para módulos com 18

27

membranas e terá uma capacidade de cerca de 750 hL/h. A linha de filtração completa

(dimensões de tubulação, refrigeradores, etc), será dimensionada para uma capacidade

máxima de 900 hL/h (dependendo da filtrabilidade da cerveja).

O sistema BMF é operado continuamente entre dois Pulsos de Fluxo

Contracorrente (SBF). Depois de vários SBFs (a quantidade depende da filtrabilidade da

cerveja processada), um ciclo de CIP é iniciado para regenerar os Módulos de

Membranas S-14. Um ciclo de filtração é definido como o tempo entre dois ciclos de

CIP, excluindo o tempo necessário para execução dos SBFs. Como o fluxo de cerveja

filtrada permanece constante durante a filtração, a capacidade é proporcional à duração

do ciclo de filtração e, consequentemente, à quantidade de cerveja processada durante

este ciclo. A capacidade e os custos de operação são, portanto, fortemente relacionados

com a filtrabilidade da cerveja.

O projeto do sistema BMF é baseado na premissa de existência de uma

filtrabilidade média da cerveja. Os valores da filtrabilidade real podem ser determinados

por testes de laboratório e/ou em testes com um aparelho na a unidade piloto e/ou

fábrica de cerveja considerada. Os valores de filtrabilidade também podem ser

verificados por um instituto independente, como por exemplo, o Technische Universität

München.

5.3.2) Indicadores-chave de Performance:

O tempo decorrido em um ciclo completo de filtração pelo sistema BMF é

estimado em 21 horas. Esta estimativa é baseada em 80% do volume de produção de

uma unidade fabril, considerando as características típicas de uma cervejaria sul-

americana, fabricação utilizando enzimas, apresentando índices muito bons de

filtrabilidade. Estes valores de filtrabilidade devem ser confirmados com um teste em

escala piloto/laboratorial, utilizando uma membrana com as mesmas especificações

daquelas que serão utilizadas industrialmente.

Operando em 750 hL/h, o volume filtrado em um ciclo é de aproximadamente

15.750 hL. Isto leva a uma capacidade de 68.085hL de cerveja diluída por semana e

417.509 hL por mês, com 144 horas disponíveis por semana. O grau de utilização (OPI

- Operational Performance Index) é de 63%, levando em conta o seguinte:

28

� 9 SBFs por ciclo de filtração,

� Realização de CIP da membrana de filtração.

� 8 horas por CIP de tanques e tubulações, nos finais de semana.

� 2 mudanças de marca de cerveja por dia.

5.3.3) Qualidade da cerveja:

A cervejaria deve indicar quais as análises serão utilizadas para determinar a

qualidade da cerveja, tanto qualitativa como quantitativamente. Afirma-se que o

impacto da qualidade do produto é limitado ao BMF e, quando aplicável, será

comparado com o sistema KGF. Além disso, espera-se que a qualidade da cerveja

filtrada no sistema BMF seja melhor ou no mínimo comparável à cerveja filtrada no

sistema KGF. Além disso, nota-se que, em princípio, os métodos analíticos utilizados

atualmente pela cervejaria devem ser utilizados para as análises de qualificação, desde

que estes sejam aptos para o uso.

A Tabela 1 a seguir mostra os valores dos parâmetros de qualidade da cerveja:

Item Valor Unidade Observação

Turbidez 90° < 0,7 EBC Melhor ou igual ao KGF

Turbidez 25° < 0,2 EBC Melhor ou igual ao KGF Contagem de Leveduras < 5 Células/100mL Determinado após o filtro de segurança Oxigênio Dissolvido < 20 ppb

Determinado entre a entrada do UBT e a saída do filtro de segurança.

Microbiologia N/A CFU/100mL Sem redução de qualidade entre a entrada do UBT e a saída do FST

Tabela 1 – Parâmetros de qualidade da cerveja.

5.3.4) Capacidade e consumo:

A unidade de filtração BMF é composta de 5 skids, com 18 módulos de

membrana S-14. A capacidade técnica nominal é de 750 hL/h. O desempenho é baseado

em um ciclo completo de filtração médio de 21 horas e 9 SBFs. O princípio básico de

filtração é o mesmo, todos eles usam membranas com poros de cerca de 0,4µm de

diâmetro para filtrar a cerveja. O sistema é extensível, com um skid adicional, para uma

29

capacidade nominal de 900 hL/h. Para cada módulo de membranas é garantido pelo

fabricante um tempo de vida e desempenho de 500 ciclos de CIP.

A cervejaria considerada neste estudo tem como requisito um volume de

aproximadamente 400.000hL de produção de cerveja para venda, utilizando o novo

sistema de filtração por membrana (BMF) versus um volume atual de 200.000 hL

produzidos utilizando o sistema de filtração de terra diatomácea (KGF). Os cálculos

apresentados na Tabela 2 e Tabela 3, mostram que com a instalação de 5 skids, um

volume de 417,509hL de cerveja por mês poderá ser produzido.

Item Valor Unidade

Demanda Mensal 417.500 hL/mês

Pico de Demanda Mensal 294.800 hL/mês

Fator de Sazonalidade 0,71 Taxa de Filtração 750 hL/h

OPI 63%

Tabela 2 – Cálculo da capacidade produtiva da cervejaria.

Item Valor Unidade

Membranas/Skid 18 unidades

Número de Skids 5 unidades

Superfície de Filtração/Membrana 9,7 m2

Superfície Total de Filtração 869 m2

Fluxo Específico 86 L/m2/h

Fluxo de Filtração 750 hL/h

Tabela 3 – Cálculo da taxa de filtração.

5.4) Análise Financeira:

5.4.1) Premissas:

� Dosagem de Kieselguhr (terra diatomácea): 60 g/hL | 0,1 R$/hL

� Dosagem de Sílica: 30 g/hL | 0,22 R$/hL

30

� Perda em PVPP regenerável: 1% (baseado em 30 g/hL) | 0,06 R$/hL

� Dosagem de PVPP descartável: 20 g/hL | 0,46 R$/hL

� Custos de CIP no sistema BMF: 0,105 R$/hL

� Custos de CIP no sistema KGF: 0,012 R$/hL

� Conversão de moedas: 1 € = R$ 2,40

5.4.2) Estimativas de Custos do Projeto:

A Tabela 4 mostra uma estimativa dos valores a serem investidos no projeto.

Custo do Item Estimativa (em Euros)

Planta e Maquinários € 4.375.000,00

Instalação € 675.780,00

Engenharia € 24.167,00

Obras Civis € 479.150,00

Contingências € 306.770,00

Taxas Contratuais € 50.475,00

Seguro € 25.372,83

TOTAL € 5.936.714,83

Tabela 4 – Estimativa de custos do projeto.

5.4.3) Estimativas de Custos de Operação:

A Tabela 5 mostra uma estimativa dos custos de operação do sistema BMF.

Item Valor Unidade

Água de Processo 1,00 €/m3

Água Desaerada 1,25 €/m3

Água de Descarte 0,50 €/m3

CO2 0,10 €/kg

Eletricidade 0,10 €/kW.h

Vapor 0,05 €/kW.h

Glicol 0,05 €/kW.h

Investimento fabril 1,00 €

Taxa de Retorno 7,50 %

Período de Depreciação 10,00 ano

Manutenção 2,00 %

Tabela 5 – Estimativa de custos operacionais (BMF).

31

5.4.4) Análise Comparativa de Custos:

A Tabela 6 mostra uma análise comparativa de custos envolvidos nos dois tipos de

sistemas de filtração considerados.

ÍNDICES BMF KGF

Equipamentos R$ 9.650.000,00 R$ -

Filtro de PVPP R$ - R$ -

Obras Civis R$ 841.212,00 R$ -

Outras Adequações R$ 2.073.654,00 R$ -

PVPP regenerável R$ - R$ -

INVESTIMENTO TOTAL R$ 12.564.866,00 R$ -

Capacidade Nominal 600 hL/h

Eficiência 66%

Capacidade de filtração de cerveja diluída

(hL/mês)

360.000 hL/mês 360.000 hL/mês

Duração do Projeto 12 meses -

Kieselguhr (R$/ano) R$ - R$ 307.098,00

Sílica (R$/ano) R$ 700.000,00 R$ 925.000,00

PVPP regenerável (R$/ano) R$ - R$ -

PVPP descartável (R$/ano) R$ 1.426.920,00 R$ 430.413,00

CIP (R$/ano) R$ 224.627,59 R$ 37.500,00

Substituição de Membranas (R$/ano) R$ 250.299,31 R$ -

Custos Operacionais (R$/ano) R$ 2.601.846,90 R$ 1.700.011,00

Custos Operacionais (R$/hL) 0,839 0,548

Tabela 6 – Análise comparativa de custos.

32

5.5) Riscos Identificados:

Os riscos identificados no projeto foram:

� A execução do projeto será realizada paralelamente às atividades

operacionais e de produção. As atividades principais relacionadas com a produção terão

prioridade. Uma estreita coordenação entre as atividades relacionadas com a produção e

as atividades relacionadas ao projeto é essencial. No entanto, as demandas de produção

podem ser de tal forma que um atraso na execução do projeto será inevitável.

� Falta de clareza sobre quais serão os esforços necessários para obter

todas as licenças que permitam a aprovação da construção. Sempre que necessário a

Cervejaria vai contratar uma empresa local para auxiliar durante este processo. No caso

das licenças não serem obtidas no prazo previsto, o planejamento será afetado em

conformidade. Regulamentações e restrições sobre licenças de trabalho e procedimentos

para obtenção de licenças de trabalho para os trabalhadores estrangeiros devem ser

esclarecidas. No caso de existirem restrições em relação à contratação de trabalhadores

de alguns países, por exemplo, China, o planejamento será afetado.

� As obras civis podem ser restringidas devido às fortes chuvas durante a

estação do ano em que o projeto será executado. Mitigações podem ser encontradas no

planejamento das obras de construção civil fora da estação chuvosa.

� As condições de pagamento podem não ser respeitadas. Não respeitar as

condições de pagamento causará comprometimento ou até paralisação das atividades

dos fornecedores.

� As variações na taxa de câmbio podem afetar o fluxo de caixa do projeto.

Embora as taxas de câmbio sejam consideradas fixas para todo o projeto, grandes

desvios podem fazer com que o fluxo de caixa seja significativamente alterado.

5.6) Análise Comparativa: Vantagens x Desvantagens

A Tabela 7 abaixo mostra uma análise comparativa das vantagens e

desvantagens de cada sistema de filtração:

33

BMF KGF

Vantagens Vantagens

- Constante da qualidade do produto

durante a filtração.

- Maior previsibilidade de qualidade e

desempenho da filtração durante o ciclo

- Facilidade de operação.

- Sem transporte e destinação de resíduos

de terra diatomácea.

- Sem manuseio de materiais em pó.

- Totalmente automatizado, menos

esforço de trabalho necessário para a

operação.

- Mudanças rápidas de tipo de cerveja

- Não há relação entre o fornecedor de

auxiliares de filtração e equipamentos.

- Limpeza simples (cáustico, vapor)

Desvantagens Desvantagens

- Atualmente existe um único fornecedor

comprovado (desenvolvimentos são

esperados).

- Necessidade de agentes de limpeza

exclusivos.

- Destinação e transporte de resíduos de

terra de diatomáceas.

- Necessárias medidas de proteção para o

manuseio de terra diatomácea.

- Variação de Qualidade da cerveja

durante o ciclo de filtração.

- Menor previsibilidade de qualidade e

desempenho da filtração durante o ciclo.

Tabela 7 – Vantagens x Desvantagens: BMF/KGF

34

6. INSTALAÇÕES DO SISTEMA BMF

A Figura 8 ilustra a planta baixa do projeto de instalação do sistema BMF na

cervejaria.

Figura 8 – Planta baixa da instalação fabril.

A Figura 9 ilustra a vista lateral esquerda do projeto em três dimensões da

instalação do sistema BMF.

Figura 9 – Vista lateral da instalação (back/left)

35

A Figura 10 mostra os módulos de filtração do sistema BMF já instalados na

cervejaria.

Figura 10 – Instalação do sistema BMF na cervejaria.

36

7. CRONOGRAMA DE PROJETO

Marco do Projeto Data Planejada

Apresentação do Plano de Projeto 15/06/2012

Aprovação do Orçamento 20/08/2012

Primeiro pedido importante 25/08/2012

Primeira entrega 01/04/2013

Início das Obras Civis 15/09/2012

Início da Instalação dos Equipamentos 10/05/2013

Término da Instalação dos Equipamentos 10/06/2013

Entrega do Projeto para Operação 20/06/2013

Início da Produção 20/07/2013

Tabela 8 – Cronograma do projeto.

37

8. CONCLUSÕES

Considerando os aspectos financeiros do projeto de substituição dos filtros KGF

por filtros BMF, a análise mostra que os custos de instalação e operação do novo

sistema de filtração são superiores aos custos de operação do sistema atual. Apesar de o

projeto de instalação do sistema BMF apresentar custos de execução acima de 12,5

milhões de reais e custos operacionais de aproximadamente 53% maiores do que os

custos do sistema KGF, conclui-se que a substituição justifica-se principalmente devido

aos fatores qualitativos do produto final, índices de produtividade, meio ambiente,

estabilidade físico-química e sensorial, versatilidade de produtos, entre outros já

evidenciados ao longo deste estudo.

Conclui-se também que esta monografia de conclusão de curso está

coerentemente alinhada com os requisitos acadêmicos e profissionais que um

Engenheiro Químico deve atender para exercer com excelência as suas atividades

técnicas e administrativas. A assimilação e aplicação dos conhecimentos adquiridos

durante o curso de graduação em Engenharia Industrial Química foi claramente

evidenciada quando abordados na elaboração desta monografia, contemplando o

planejamento e execução de um projeto real de engenharia, aplicado em uma indústria

multinacional de grande porte.

38

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1

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1 De acordo com a Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR 6023

39

SNAPE J.B.; NAKAJIMA, M. Processing of agricultural fats and oils using membrane technology. Journal of Food Engineering. V.30, p. 1-41, 1996. VAN REIS, R.; ZYDNEI, A. Bioprocess membrane technology. Journal of Membrane Science. V.297, p. 16-50, 2007. YUAN, P.; WU, D. Q.; HE, H. P.; LIN, Z. Y. The hydroxyl species and acid sites on diatomite surface: a combined IR and Raman study. Applied Surface Science V. 227, p. 30-39, 2004. ZEMAN, L. J.; ZYDNEY, A. L. Microfiltration and Ultrafiltration – Principals an d Applications. Marcel Dekker. New York. 1996