Viabilidade técnica de implementação de um sistema de diluição em linha de hidróxido de sódio em uma indústria de alimentos : um estudo de caso

Abstract

A produção de soja está entre as atividades econômicas que, nas últimas décadas, apresentaram crescimentos mais expressivos. Isso pode ser atribuído a diversos fatores, dentre os quais destaca-se o elevado teor de proteínas contido no grão. Existem três tipos principais de produtos comerciais de proteína de soja: a farinha de soja, as proteínas concentradas de soja e as proteínas isoladas de soja. A farinha de soja é produzida a partir da moagem do farelo desengordurado, um subproduto obtido durante o processo de extração do óleo. As proteínas concentradas e isoladas, por sua vez, são produzidas a partir da farinha de soja e a sua fabricação envolve quatro etapas principais: solubilização, precipitação, neutralização e secagem. À exceção da secagem, todas as etapas mencionadas envolvem alterações no pH do meio, realizadas através da utilização de ácidos e bases de grau alimentício, como o ácido clorídrico e o hidróxido de sódio, respectivamente. Tendo isso em conta, o objetivo do presente estudo compreende propor um sistema de diluição em linha para melhoria do processo de recebimento e diluição de hidróxido de sódio das plantas de produção de proteínas isoladas e concentradas de soja de uma empresa do ramo alimentício. Para tanto, pretende-se avaliar o sistema atual visando detectar problemas e gargalos, caracterizar as linhas de tubulação e componentes disponíveis, avaliar tecnicamente e escolher os componentes para o sistema proposto através de pesquisas e simulações e avaliar os benefícios trazidos pela nova instalação em comparação à existente. Atualmente, a diluição do hidróxido de sódio a ser dosado no processo é realizada em bateladas, nas quais a solução concentrada é misturada com água no interior de um tanque. A agitação do sistema é promovida pela ação dos jatos dos fluidos e uma linha de recirculação é responsável por manter a homogeneidade da solução. Por meio de entrevistas, visitas em campo e análise de dados de processo, constatou-se que a instalação existente apresenta problemas no que diz respeito à capacidade de armazenamento e à homogeneidade da solução. O hidróxido de sódio concentrado e a água possuem densidades significativamente diferentes e, devido ao dimensionamento inadequado do sistema de mistura por jatos, observa-se, no tanque de diluição, o fenômeno de estratificação, isto é, a formação de camadas líquidas de densidades distintas que não se misturam. Visando sanar os problemas existentes na instalação atual, propõe-se a implementação de um sistema de diluição em linha. Três componentes básicos fazem parte desses sistemas: tubulações, dispositivos de mistura e dispositivos de bombeamento. Existem diversos tipos de misturadores estáticos disponíveis no mercado e a escolha do modelo a ser empregado na instalação proposta foi feita com base na natureza dos fluidos. As bombas, por sua vez, foram dimensionadas com o auxílio do software Pipe Flow Expert, uma ferramenta focada na modelagem e simulação de sistemas de transporte de fluidos. Finalmente, verificou-se que a implementação de um sistema de diluição em linha de hidróxido de sódio resultaria em benefícios como aumento da capacidade de armazenamento, redução da variabilidade do processo, operação mais estável, redução do desgaste de equipamentos e redução do tempo de serviço repetitivo da operação.

Soy production is one of the economic activities that, in recent decades, have shown expressive growth. This can be attributed to several factors, including the high protein content observed in soybean. There are three main types of commercial soy protein products: soy flour, soy protein concentrates, and soy protein isolates. Soy flour is produced from the grinding of defatted soy flakes, a by-product obtained during the oil extraction process. Concentrates and isolates, on the other hand, are produced from soy flour and their manufacture involves four main steps: solubilization, precipitation, neutralization and drying. With the exception of drying, all the steps mentioned involve changes in the pH of the medium, which are performed using food grade acids and bases, such as hydrochloric acid and sodium hydroxide, respectively. Therefore, the objective of this study is to propose an in-line dilution system to improve the storage and dilution facilities of sodium hydroxide in a company that produces soy protein concentrates and isolates. It is intended to evaluate the current system in order to detect problems and bottlenecks, to characterize the available pipe lines and components, to technically evaluate and choose the components for the proposed system through research and simulations and to evaluate the benefits brought by the new installation in comparison to the existing one. Currently, the dilution of the sodium hydroxide applied in the process is conducted in batches, in which the concentrated solution is mixed with water inside a tank. The agitation of the system is promoted by the action of the jets of the fluids and a recirculation line is responsible for maintaining the homogeneity of the solution. Interviews, field visits and analysis of process data showed that the existing installation has problems related to storage capacity and homogeneity of the solution. Concentrated sodium hydroxide and water have significantly different densities and, due to the inadequate dimensioning of the jet mixing system, the phenomenon of stratification is observed in the dilution tank, i.e., the formation of liquid layers of different densities that don't mix. In order to solve the existing problems, it is proposed the implementation of an in-line dilution system. Three basic components are present in in-line dilution systems: piping, mixing devices and pumping devices. Several types of static mixers are available on the market and the choice of the model to be used in the current application was based on the nature of the fluids. The pumps were dimensioned using the software Pipe Flow Expert, a tool focused on modeling and simulating fluid transport systems. Finally, it was verified that the implementation of an in-line dilution system for sodium hydroxide would result in benefits such as increased storage capacity, reduced process variability, more stable operation, reduced equipment wear and reduction of repetitive work of time.