Inovações na secagem de alimentos líquidos: secagem de levedura de cerveja por pulverização pulsada

A indústria da cerveja artesanal na Catalunha continua a crescer e a inovar, com microcervejarias que produzem cervejas de qualidade com caraterísticas únicas. Um exemplo disso é a Cerveza Espiga, situada em Alt Penedès (Barcelona), que tem capacidade para produzir até 150.000 litros por ano, oferecendo uma vasta gama de cervejas artesanais. No que diz respeito à produção de cerveja em grande escala, a Damm é um dos principais grupos cervejeiros da Catalunha, com uma produção anual de 21,6 milhões de hectolitros.

Assim, tanto no domínio da cerveja artesanal como no da produção em grande escala, a Catalunha desempenha um papel importante neste setor, com uma diversidade e qualidade de produtos que refletem a rica cultura cervejeira da região.

A levedura de cerveja líquida é um subproduto da indústria cervejeira, constituído por células em suspensão. O subproduto de levedura excedente, que não pode ser reutilizado para fermentação, pode encontrar outras aplicações, tais como alimentação animal, suplementos dietéticos (devido à sua elevada concentração de vitaminas B, minerais e proteínas) ou mesmo na indústria farmacêutica. Assim, a levedura de cerveja tem um ciclo de vida útil e versátil para além da produção de cerveja.

As várias estirpes de levedura líquida permitem aos fabricantes de cerveja criar perfis de sabor mais complexos e específicos. Tudo isto gera diferentes subprodutos que requerem um manuseamento e armazenamento cuidadosos. Por outro lado, a levedura seca é mais fácil de manusear e armazenar, e é geralmente mais barata do que a levedura líquida. Embora ofereça menos diversidade, é amplamente utilizada por fabricantes de cerveja artesanais e industriais devido à sua conveniência de utilização.

Uma tecnologia emergente que está a tornar o processo de secagem da levedura eficiente e permite soluções flexíveis é a secagem por pulverização (PSD).

O mecanismo de controlo subjacente ao funcionamento de um motor pulsado é uma interação complexa entre um processo de combustão oscilatório e ondas acústicas que se propagam a partir do motor pulsado. A combustão pulsante é iniciada quando o combustível e o ar de combustão são introduzidos na câmara de combustão (Fig. 1a), formando uma mistura que é inflamada por uma vela de ignição e que arde instantaneamente na combustão de forma explosiva (Fig. 1b). Nesta altura, os orifícios de entrada do ar e do combustível são fechados, provocando um aumento rápido da pressão. Esta pressão força os produtos da combustão a fluir através do tubo de escape para o secador (Fig. 1c). À medida que os gases de combustão quentes saem, o impulso para fora resultante faz com que a pressão numa câmara de combustão desça para um mínimo, abrindo as portas de entrada, que admitem combustível e ar fresco na câmara de combustão. Esta nova carga é inflamada pelo contacto com os resíduos de gases de combustão quentes deixados no escape do ciclo anterior, que voltam a entrar na câmara de combustão durante o período de pressão mínima. Estes ciclos de combustão repetem-se com uma frequência natural baseada na geometria da câmara de combustão e nas caraterísticas do tubo de saída que, juntamente com o secador, asseguram um funcionamento oscilatório autossuficiente.

Figura 1. Princípio de funcionamento de um motor rotativo pulsante. Fonte: https://www.ekonek.eu/en/solutions/pulse-combustion-drying.

A principal função do PS num sistema de secagem é fornecer calor para a evaporação da humidade e gerar impulsos de pressão de alta frequência com elevada amplitude dentro de uma câmara de secagem, aumentando assim a taxa de secagem. A vantagem de um gás quente oscilante a partir de um tubo de saída favorece a dispersão do produto injetado, o que é particularmente vantajoso na secagem de biomateriais. Assim, nos secadores PSD, a energia sonora gerada num motor pulsante é utilizada principalmente para a atomização do líquido, o que acelera a secagem convectiva devido à superfície alargada do spray, para além do efeito térmico do gás quente.

O secador pode ser utilizado para produtos viscosos (com sólidos até 2 mm de diâmetro e até 10 mm de comprimento, com viscosidades até 16.000 cP) [5]. Também permite a secagem de materiais húmidos que formam grumos, tais como fibras de milho e cereais insolúveis até 25 mm de tamanho.

De um ponto de vista económico, é aconselhável que este líquido seja concentrado por evaporador antes da secagem, acima de 30% de sólidos totais. Existem vários tipos de evaporadores que podem efetuar a concentração: evaporadores de película descendente, de placa ou de película raspada.

Por outro lado, o condensado obtido na fase de concentração pelo evaporador conterá o álcool inicialmente presente. A concentração deste condensado noutros estágios subsequentes oferece oportunidades para a utilização de bioetanol, produção de vinagre, etc.

A matéria seca com a qual a tecnologia PSD atomiza corretamente este líquido concentrado é de 32%, embora na instalação piloto de secagem de I&D tenha sido possível secar amostras com até 43% de extrato seco.

A secagem de leveduras concentradas por PSD é um processo contínuo, que se desenvolve ao longo de vários dias consecutivos de cada vez que é iniciado, como em qualquer outro tipo de secagem por pulverização.

As particularidades da secagem por PSD são as seguintes:

• A presença moderada de pequenas fibras do bagaço não constitui um obstáculo a uma secagem correta, como observámos durante muitas produções de PSD.
• A pressão de bombagem do líquido concentrado é apenas ligeiramente superior à diferença de nível entre o chão e o topo da câmara de secagem.
• As temperaturas do ar que sai da câmara de secagem, consoante o tipo de instalação de PSD, variam entre 90 e 115°C. Nestas condições, o produto em pó sai a temperaturas entre 50 e 70°C.
• Em sistemas mais avançados, o pó é arrefecido num leito fluidizado antes de ser ensacado.
• O tempo de secagem ininterrupto mais longo foi de 1,5 meses. Após este longo período, é limpo por CIP em poucas horas, e o processo recomeça.
• É possível tornar a produção mais flexível, tendo 2 ou 3 geradores de pó na parte superior da câmara de secagem, que podem ser operados como uma única unidade ou em combinação, modulando assim a capacidade de produção. Este é um aspeto muito interessante quando se trata de absorver variações sazonais na disponibilidade de levedura.

Caraterísticas da amostra obtida

A humidade do pó obtido situa-se entre 2 e 5% e é relativamente ajustável com a temperatura de saída do ar da sala de secagem.

O teor proteico pode variar consoante a estirpe de levedura e o processo de produção, influenciando as suas aplicações nutricionais e funcionais, e ronda os 50% (base de matéria seca). Uma das caraterísticas físicas mais relevantes para o manuseamento e armazenamento é o tamanho do pó, sendo que a tecnologia PSD atinge um tamanho médio de partícula de 60 microns (ver figura 3).

Atualmente, mais de 95% do pó produzido nos secadores PSD em funcionamento é utilizado como ingrediente de rações, enquanto o restante se destina ao consumo humano.

Consumo de energia do processo

O consumo fundamental é o consumo de energia e, num sistema PSD, divide-se em gás natural na parte do motor de combustão e eletricidade nos turbo-ventiladores. Nas condições em que a levedura de cerveja foi seca por PSD, estes consumos foram os seguintes

• Na instalação piloto de 70 kW: gás natural 1 kWh/kg de água evaporada, e eletricidade 100 Wh/kg de água evaporada.
• Em instalações industriais: gás natural 0,8 - 0,9 kWh/kg de água evaporada, e eletricidade 90-100 Wh/kg de água evaporada.

Análise dos custos de exploração energética em instalações industriais de PSD

A título de exemplo, ilustramos o que estaria envolvido no cálculo dos custos energéticos de um secador PSD, que evapora 350 kg/h de água, onde a levedura concentrada é alimentada a 30% de matéria seca, obtendo-se um pó de levedura com 4% de humidade final. Consideramos 7.500 horas de funcionamento por ano. De acordo com os resultados da Tabela 1, o balanço de massa básico seria o seguinte:

Referências bibliográficas

1. Mujumdar, A. S. 1991. Drying technologies of the future. Drying Technol., 9(2): 325–347.

2. Zbicinski, I., Benali, M. and Kudra, T. 2002. Pulse combustion: An advanced technology for efficient drying. Chem. Eng. Technol., 25(7): 687–691.

3. Kudra, T. and Mujumdar, A. S. 2007. Special drying techniques and novel dryers. In: Handbook of Industrial Drying. A. S. Mujumdar (Ed.). 3rd edition. Taylor & Francis, Boca Raton, FL, pp. 453–517

4. Wu, Z., Yue, L., Li, Z. et al. Pulse Combustion Spray Drying of Egg White: Energy Efficiency and Product Quality. Food Bioprocess Technol 8, 148–157 (2015). https://doi.org/10.1007/s11947-014-1384-9.

5. A. S. Mujumdar, Z. H. Wu. 2004. Pulse combustion spray drying. Topics in Heat & Mass Transfer. G.H. Chen, S. Devahastin, B. N. Thorat (Eds). IWSID-2004, Mumbai, India. pp. 79-91.