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Roteiro de Estudo Operações Unitárias na Produção de Açúcar e Álcool JoséCarlosTeixeira Junior
Objetivo O objetivo deste trabalho é apresentar de uma maneira simples e direta as operações unitárias na fabricação de açúcar e álcool, compreendendo as seguintes etapas do processo:
Tratamento do Caldo Evaporação Cristalização do Açúcar Cozimento do Açúcar Centrifugação Fermentação Centrifugação Destilação
Após a leitura deste trabalho o aluno terá condições de estabelecer um conceito amplo das etapas do processo de fabricação de açúcar e álcool identificando os principais fatores de interferência em cada operação.
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Fluxograma do Processo de Açúcar e Álcool
Fonte : Autor
O processo industrial acima consiste nas etapas básicas para a fabricação de açúcar e álcool, sendo que a divisão de caldo ocorre após o processo de extração, sendo uma parcela destinada para álcool e a outra para o açúcar, esta divisão está atrelada a capacidade industrial instalada para o processamento da matéria prima, sendo o critério que define o mix de produção envolve alguns fatores específicos da empresa: fatores estratégicos (localização geográfica da indústria), macro e micro econômicos (preço do açúcar e do álcool), disponibilidade de energia térmica e equipamentos, etc. As etapas acima relacionadas após a extração do caldo serão descritas abaixo com mais detalhamento. Tratamento do Caldo O caldo de cana é uma solução de sacarose impura e diluída, cujas impurezas se encontram em suspensão e em dissolução. Existem nele todos os componentes solúveis da cana, tais como: sacarose, açúcares redutores, sais orgânicos e inorgânicos, pectinas e gomas, terra, bagacinho, clorofila, albumina, entre outros.
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Para eliminar as impurezas do caldo faz-se uso de agentes físicos e químicos, sendo que o principal objetivo do tratamento do caldo consiste em elevar o pH do caldo para que perdas de sacarose por inversão permaneçam num nível mínimo durante o processo subseqüente de recuperação de açúcar. Objetivos importantes, mas secundários, são a remoção do material insolúvel e de certas substâncias dissolvidas indesejáveis. O ajuste do pH a um nível ótimo é realizado através de um agente alcalinizante (hidróxido de cal), que do ponto de vista econômico é o mais viável, fornece uma condição adequada para remoção dos compostos indesejáveis e redução no processo de inversão da sacarose. O setor de tratamento do caldo consiste em operações físicas e químicas com o objetivo de remover as impurezas contidas no caldo e reduzir a contaminação microbiológica. As etapas que fazem parte deste processo serão descritas abaixo.
Clarificação Segundo Castro (2007)1 o caldo misto que flui das moendas encerra em solução diversas substâncias como sacarose, glucose, bagacilho, terra, cera, compostos nitrogenados, sais minerais, etc. Como se trata de matéria prima extrativa, o caldo sendo de composição variável, pode apresentar modificações em função de: Variedade, idade e sanidade da cana Condições climáticas Tratos culturais Tempo de espera para industrialização após o corte
Em razão dessas prováveis modificações, o caldo de cana apresenta-se como um material que pode reagir diferentemente quando submetido aos processos usuais de clarificação. Por esses processos procura-se separar, tanto quanto possível do caldo, as impurezas em suspensão e as dissolvidas sem afetar a sacarose presente tornando-o claro e cristalino. Os reflexos da clarificação mal feita se fazem sentir nas fases posteriores da fabricação. Na fase de evaporação, por exemplo, a separação da parte das impurezas minerais e orgânicas do caldo na forma de incrustação concorre para a diminuição da capacidade de evaporação dos corpos dos múltiplos efeitos, além de interferir na qualidade do açúcar dentro das especificações referentes a compostos insolúveis e número de pontos pretos. Por outro lado, as impurezas não separadas do caldo pela clarificação podem se constituir, na fase de cozimento, em núcleos de cristalização de sacarose dando origem a cristais impuros durante o processo de crescimento destes. Em conseqüência, a fase de 1
CASTRO,S.B; Tecnologia do Açúcar, 2007, pag. 34
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centrifugação e a de conservação do açúcar final fica comprometida. (Payne, 1989)2 Portanto, a purificação do caldo para a produção de açúcar e álcool deve ser conduzida visando: Remover as impurezas em suspensão Evitar a inversão da sacarose Evitar a destruição dos açucares redutores Diminuir o teor de sais solubilizados Diminuir os não açúcares de origem orgânica e inorgânica Aumentar o coeficiente de pureza do caldo Produzir um caldo límpido, transparente, tal qual o obtido pela dissolução de açúcar em água
O processo de clarificação envolve algumas etapas: Caleação ou Defecação Sulfitação Aquecimento Decantação Filtração
Caleação A caleação é um dos processos na qual se utiliza a cal como agente de clarificação do caldo. A cal é obtida através da dissociação térmica do carbonato de cálcio em fornos especiais. A transformação do carbonato de cálcio em óxido de cálcio (CaO) ocorre em função da temperatura de calcinação. Por via de regra, esta temperatura varia de 900 a 1300 oC. Temperaturas elevadas, mantidas por um tempo além do necessário, podem ser responsáveis pela produção de uma cal pouco porosa e não facilmente hidratável acarretando problemas durante o processo de clarificação e maior consumo. Os aspectos de temperatura e tempo são muito importantes na qualidade da cal obtida, pois quando não controladas devidamente podem modificar a estrutura molecular da cal dando origem ao que se conhece por “cal morta”. Atualmente outro problema encontrado com relação à queima da cal é a utilização de pneus na calcinação. Este processo faz com que a cal apresente dioxina em sua composição sendo que este composto é extremamente tóxico ao homem, acarretando problemas no sistema nervoso e outros.
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PAYNE,J.H; Operações Unitárias na Produção de Açúcar de Cana, 1989, pag. 85,86,93
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O componente mais importante da cal é o óxido de cálcio (CaO) sendo que, para fins industriais, o teor de CaO total da cal deve estar sempre acima de 95%. Entretanto, uma rocha calcária não bem calcinada pode dar origem à núcleos de carbonatos não transformados sendo portanto, de baixo valor aproveitável. A adição do leite de cal ao caldo de cana em sua fase de clarificação é geralmente feita de maneira contínua com controle automático de pH. A calagem contínua está fundamentada no trabalho de se adicionar um volume de leite de cal proporcional ao volume de caldo que chega continuamente aos tanques de reação. No processo de calagem contínua, os tanques de reação podem ser em número de três, dois ou apenas um. Quando se utilizam três tanques, estes devem ser montados de tal forma a permitir uma circulação por igual em todos os tanques, sendo que o leite de cal deve circular em contra corrente com o caldo. Com este tipo de circulação o pH do caldo cresce lentamente até atingir o valor indicado no lado oposto do tanque A finalidade do uso da cal é precipitar as impurezas. A determinação e controle de sua quantidade deve ser a mais correta possível, pois o excesso de cal leva a uma reação de decomposição dos açucares redutores, escurecimento do caldo e inversão do P2O5 presente no caldo. Nestas circunstâncias, quando se produz açúcar cor branco, o reflexo direto é a subida de cor do açúcar do processo, na fermentação é a deficiência de nutrientes essências para a levedura, na clarificação o reflexo é sentido na queda da transmitância do caldo na saída do decantador. Em caso de falta de leite de cal o caldo permanece ácido, turvo, mesmo depois de decantado O pH ideal do caldo é aquele que resulta em um pH de xarope de 6,5. Trata-se de um valor +/- ótimo para conduzir as etapas subseqüentes de cristalização fornecendo uma condição adequada de operação durante o processo de cozimento, desenvolvendo o mínimo possível de compostos indesejáveis e de cor originados pela decomposição dos açúcares redutores. O mais aconselhável é trabalhar e uma faixa próximo do pH neutro, ou seja, 7.0. Entretanto existe uma variação operacional que resulta em valores que devem ficar entre 6.7 e 7.2. Se o nível de pH é mais alto ocorre grande desenvolvimento de viscosidade, de cor e perdas substanciais de açúcares redutores, particularmente a frutose. Se o nível de pH é mais baixo, a inversão de sacarose aumenta com rapidez. O processamento de um xarope com pH 6.5 dará usualmente um mel final ao redor de um pH 5.8, de modo que a cristalização é conduzida na faixa de 6.5 a 5.8. A queda do pH ocorre no aquecedor, decantador e evaporador. Este aumento da acidez é causado pela reação relativamente baixa com a cal, pela formação de ácidos orgânicos e pela perda de amônia da decomposição de aminoácidos. O pH exato da calagem do caldo varia com a composição do mesmo, de modo que ajustes freqüentes no ponto de controle são essenciais. Usualmente, com cana de boa qualidade, também ocorre boa clarificação, ou seja, há boa floculação da matéria em suspensão, decantação rápida e fluxo de caldo limpo.
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Com cana de má qualidade (cana hora pós queima alto) ou deteriorada em algumas situações torna-se impossível obter um caldo claro e uma decantação rápida. Isso é causado pela dextrana que através da ação protetora dos colóides, impedem uma boa floculação. Em tais casos uma caleação mais alta pode mostra-se útil, mesmo que os efeitos na cristalização do açúcar sejam menos favoráveis. (Castro, Payne e Hugot) 3 A cal pode ser adicionada sob a forma do leite de cal ou de sacarato de cálcio. O leite de cal é uma solução com muito cálcio em suspensão e pouco em solução. Considerando que apenas os íons de cálcio presentes na solução estão aptos a reagirem imediatamente com o caldo, isto significa que a cal em suspensão deverá primeiramente ser dissolvida para depois reagir. O sacarato é uma solução na qual o cálcio se encontra totalmente na forma iônica e, portanto, a reação é instantânea. A principal diferença entre os dois métodos está relacionada com a maior disponibilidade de cálcio em solução, permitindo que a reação ocorra com maior rapidez. Existem vários métodos de alcalinização, sendo similares as reações químicas que ocorrem, entretanto é difícil determinar qual o melhor método. Usualmente existem 5 métodos de alcalinização do caldo de cana (Castro,2007) 4: Alcalinização a frio: adiciona-se leite de cal ao caldo com temperatura que sai da moenda, elevando o pH para 7.0 a 7.2; aquece-se em seguida para uma temperatura em torno de 110°C. Alcalinização a quente: aquece-se o caldo para uma temperatura em torno de 100°C, e em seguida adiciona-se leite de cal elevando o pH para 7.0 a 7.2. Alcalinização fracionada: adiciona-se leite de cal ao caldo com a temperatura que sai da moenda elevando o pH para 6.0 a 6.5, em seguida aquece-se o caldo para uma temperatura em torno de 110° e adiciona-se leite de cal elevando o pH para o padrão de operação determinado. Alcalinização fracionada com duplo aquecimento: aquece-se o caldo até uma temperatura em torno de 65° a 70°C e em seguida adiciona-se leite de cal ao caldo elevando o pH para 6.0 a 6.5; em seguida aquece-se o caldo para uma temperatura em torno de 110° e adiciona-se leite de cal elevando o pH para o padrão de operação determinado. A quantidade de leite de cal a ser utilizada na indústria varia com o processo de clarificação adotado, com natureza do caldo, com o tipo de açúcar fabricado, com a qualidade da cal e com o tipo de conservação do cal. Evidentemente que o consumo de leite de cal será em função do teor de CaO disponível. Um leite com baixo teor de CaO disponível apresentará um maior consumo. Quanto maior for o teor de CaO disponível, melhor será a qualidade do cal , melhor será a qualidade
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HUGOT,E; Manual de Engenharia Açucareira, 1977, volume 1 pag 418
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CASTRO,S.B; Tecnologia do Açúcar, 2007, pag. 123
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da suspensão obtida, menor consumo no processo, melhor clarificação do caldo e reação de neutralidade com caldo causando o mínimo de danos para a sacarose. A quantidade de cal utilizada é em torno de 800 a 1000 g por tonelada de cana. As diferentes formas de adição de leite de cal e temperatura do caldo têm por objetivo a obtenção de coágulos bem formados de sedimentação rápida. É importante o controle rigoroso do pH, para evitar a inversão da sacarose quando o caldo é submetido à alta temperatura em meio ácido. A taxa de inversão, para um mesmo pH do caldo aumenta com a elevação da temperatura. Parâmetros de trabalho utilizado Usina Coruripe – Campo Florido Fabrica de açúcar pH do caldo dosado (ou caleado) na faixa de 6.8 a 7.2 trabalhando nesta faixa de pH teremos um caldo clarificado entre 6.5 a 6.9,o pH do xarope será da ordem de 6.1 a 6.3. O pH não deve ultrapassar 7.2, pois com isso há a destruição de açucares redutores diminuindo a eficiência industrial e formação de cor. O pH baixo favorece a inversão de sacarose durante a decantação, evaporação e cozimento. Porém o mais importante é que se mantenha estabilidade no controle de pH do caldo dosado, dentro da faixa do parâmetro determinado, porque mesmo que se obtenha um caldo clarificado com pH dentro da faixa ideal, a clarificação pode não ser boa.
Destilaria pH do caldo dosado na faixa de 5.8 a 6.2. Não se deve trabalhar acima desta faixa para evitar a degradação de nutrientes essenciais diminuindo a eficiência de fermentação.
Sulfitação
Entende-se por sulfitação de uma forma grosseira na linguagem de usina como queimar enxofre para clarear o açúcar, o que não deixa de ser verdade, porem, não é somente a queima do enxofre e sim vários fatores na qual o gás produzido tem ação no processo de clarificação. A clarificação do caldo pelo processo de sulfitação baseia-se na formação de sulfito de cálcio, que é um sal pouco solúvel, que posteriormente será removido durante o processo de fabricação. Para se entender o processo é necessário compreender, de um modo geral as propriedades do gás sulfuroso sobre o caldo de cana, cujas principais são: purificante, descorante, neutralizante, preservativa, inversiva e precipitativa (Castro, 2007) 5.
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CASTRO,S.B; Tecnologia do Açúcar, 2007, pag. 113
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Fonte – SMAR
Ação purificante Ao se aplicar gás de enxofre (anidro sulfuroso) ao caldo bruto, observa-se que, pequenas partículas são formadas no caldo, as quais vão se transformando em volumosa massa de flocos com varias densidades. A diferença de densidade faz com que as mais pesadas (com densidade maior) sedimentem e os mais leves (com densidade menor) fazem um movimento de ascensão. Os precipitados (os flocos) formados são constituídos principalmente por matéria orgânica. Ação descorante As matérias coloridas do caldo são reduzidas em parte pelo gás sulfuroso. A sua ação descorante é devido a liberação de hidrogênio, o qual faz reduzir as substâncias coloridas dando formação a compostos menos coloridos; entretanto essa descoloração é temporária, pois, o caldo sulfitado exposto ao ar gradualmente se oxida pela absorção de oxigênio, retornando a cor inicial. Ação neutralizante
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A ação neutralizante é utilizada quando se adota ao processo de defecosulfitação. Os sais formados com a cal são praticamente insolúveis em meio neutro ou alcalino. Ação fluidificante Segundo alguns pesquisadores, o ácido sulfuroso reduz a viscosidade do caldo pela precipitação de certos colóides, fazendo melhorar a decantação e a qualidade do caldo para a evaporação e cozimento produzindo desta forma méis mais esgotados. Ação preservativa O anidro sulfuroso tem como propriedade ser um agente anticéptico, pois este interfere no desenvolvimento dos microorganismos presentes no caldo. Ação precipitativa Com a precipitação dos flocos ocorre um equilíbrio das cargas elétricas das moléculas. Todas as vezes que um grande número de flocos se aglomera ocorre precipitação sendo que os flocos formados podem ser separados por sedimentação ou filtração. A ação precipitativa ocorre pela reação entre o anidrido sulfuroso e a cal formando um sal pouco solúvel em meio neutro ou alcalino, o sulfito de cálcio. Este procedimento ocorre quando se faz sulfitação e em seguida neutralização com leite de cal. O consumo de enxofre varia de 200 a 400 gramas por tonelada de cana, dependendo de alguns fatores variáveis como a qualidade do açúcar desejado, qualidade da matéria prima (tempo de queima, teor de dextrana, ponto de maturação) tempo de retenção dos decantadores e qualidade do enxofre entre outros.
Parâmetros de trabalho Teor de sulfito no caldo deve ser em torno de 600 ppm, podendo chegar a 800 ppm quando a cana está velha ( alto teor de dextrana ) Entre Entre no no site site indicado indicado abaixo; abaixo; apresenta um apresenta um conceito conceito de de sulfitação sulfitação moderno moderno
http://www.engenovo.com.br/pt/produtos_servicos/acucar_alcool/sc.php Aquecedor de Caldo O aquecimento do caldo da cana é realizado em trocadores de calores, denominados de aquecedores de caldo, esta operação tem como principio o fluxo de energia entre dois fluidos, sendo que esta troca pode ocorrer entre vapor/líquido e líquido/líquido. O sentido do fluxo de energia fluxo de energia ocorre do fluido mais quente para o fluido mais frio.
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Como fontes de calor têm vários fluidos para serem utilizados: vapor, vinhaça, flegmassa, condensado e caldo clarificado. O objetivo do aquecimento de caldo ( Castro,2007) 6: Redução dos microorganismos presentes no caldo Remover os gases Reduzir a viscosidade do caldo Flocular as impurezas insolúveis Desidratação dos colóides do caldo, para proporcionar sua precipitação pelo efeito de coagulação. Tipos de aquecedores utilizados: Aquecedor tubular vertical – (shell – tube)
Fonte – PECEGE – ESALQ -USP
Aquecedor Tipo Placa
Fonte – Alfa Laval
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CASTRO,S.B; Tecnologia do Açúcar, 2007, pag. 135
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Aquecedor tubular horizontal caldo
caldo
vapor
condensado
Fonte - Autor
A temperatura do caldo deve ser elevada acima do ponto de ebulição da água, sendo que a temperatura deve ficar entre 105° a 110°C, que é a temperatura ótima para decantação. Temperatura maior que 110°C provoca a opalescência do caldo decantado, muito embora forneça uma decantação mais rápida em virtude da redução da viscosidade. Durante a operação de aquecimento as impurezas contidas no caldo depositam na parede do tubo Este depósito acarreta uma diminuição da superfície de troca térmica, conseqüentemente uma redução da temperatura de saída do aquecedor. Este processo denomina-se de incrustação. O processo utilizado para remoção desta incrustação pode ser mecânico ou químico. O processo mecânico utiliza de um dispositivo rotativo com uma haste (roseta) na extremidade, que em contato com a parede do tubo, por ação de atrito, remove a incrustação. Outro mecanismo utilizado é o hidrojateamento, cujo principio é a utilização de água com alta pressão para remoção das incrustações.
O processo químico tem como agente principal a soda caustica, usada em concentração de 20° Bé à temperatura de 80°C, que se faz circular em alta velocidade através dos tubos.
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Características construtivas dos aquecedores
D
D D
gases
S
leve s
entrada de caldo
entrada de caldo
S S
saída de caldo
leves
saída de caldo
gases pesados
12 CIRCULAÇÕES
pesados
6 CIRCULAÇÕES
Fonte – PECEGE – ESALQ -USP
Os materiais empregados na construção dos aquecedores podem ser: Corpo – aço carbono Espelho – aço carbono Tubos – aço carbono, inox ou cobre Placas – inox
FOSFATAÇÃO Consiste na correção do teor de fosfato no caldo, quando necessário, a fim de se manter um teor mínimo por volta de 300 ppm. O objetivo da fosfatação é auxiliar na remoção de materiais corantes no caldo após reagir com o hidróxido de cálcio, pela formação de fosfato de cálcio que é um sal que se insolubiliza em pH neutro e se precipita na decantação. Parâmetros de trabalho Teor de P2O5 no caldo ideal é de 250 a 300 ppm Teor de P2O5 no caldo clarificado é menor que 30 ppm
A utilização se uma fonte de fosfato se faz necessário quando o caldo primário ou misto não apresenta um nível de concentração ideal, sendo assim é
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feita a correção. A concentração de P 2O5 no caldo clarificado abaixo de 30 ppm indica que se teve uma boa clarificação, ou seja, os flocos formados pelo sais insolúveis ocorreram de forma satisfatória, eliminando esses sais no lodo. ( Payne,1989)7
DECANTAÇÃO Na decantação é onde ocorre a precipitação dos flocos formados, eliminados pelo fundo do decantador na forma de lodo. O caldo clarificado sai pela parte superior das bandejas, já isento da maioria das impurezas encontradas no caldo primário ou misto. Ou seja, nos decantadores ocorre apenas a separação física entre o caldo e as impurezas sendo que a qualidade do caldo clarificado depende mais do tratamento químico e térmico efetuados antes do que da própria decantação. Depois que o caldo é sulfitado, caleado e aquecido, ele é enviado para os decantadores para que seja feita a separação das impurezas (lodo). O tempo de retenção do caldo nos decantadores varia de 0,5 a 4 horas. Atualmente se utilizam decantadores rápidos que trabalham com um tempo de retenção menor do caldo, em média de 40 minutos. A diferença entre decantadores tipo convencional e tipo rápido consiste na velocidade de floculação principalmente, fazendo com tenham tempos de retenção distintos. Do ponto de vista construtivo os decantadores tipo convencional apresentam maior números de bandeja com entrada e saída de caldo individualizada por bandeja, enquanto os decantadores tipo rápido apresentam somente uma bandeja, entretanto a entrada de caldo pode variar dependendo o tipo de projeto, pode se uma entrada ou mais. DECANTADOR SEM BANDEJA Entrada de caldo Balão de Flash Entrada de polímero
CONTROLE AUTOMÁTICO DE RETIRADA DE LODO DECANTADOR S/ BANDEJA
CALDO CLARIFICADO
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PAYNE,J.H; Operações Unitárias na Produção de Açúcar de Cana, 1989, pag.87
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Fonte - PECEGE – ESALQ -USP
No processo de decantação adiciona-se floculante que é um polímero de alto peso molecular e polaridade negativa, isto é, aniônico, pois os sais formados nas reações químicas são de polaridade positiva, catiônicos. Este tem por objetivo promover o agrupamento dos flocos já formados através da diferença de carga elétrica tornando-os maiores e mais pesados. Desse modo, acelera-se a velocidade de decantação dos flocos diminuindo o tempo de retenção nos decantadores e como conseqüência, menor inversão da sacarose. Os principais fatores que interferem na dosagem do polímero são: qualidade da matéria prima, tempo de retenção no decantadores, % impureza no caldo e retenção dos filtros.
Parâmetros de trabalho Diluição do polímero deve ser da ordem de 0.05%, A dosagem deve ser 2,5 g / TC, O preparo do polímero deve ser feito utilizando água a uma temperatura de no máximo 50 oC, pois acima dessa temperatura ocorre problemas com a estrutura do polímero vindo a prejudicar a decantação. Após o preparo a solução diluída deve permanecer em repouso sob agitação no mínimo 4 horas antes de ser usado, para que ocorra uma boa solubilização do produto.
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A operação dos decantadores deve atentar-se as temperaturas de entrada e saída do caldo, sendo que a entrada não deve ser inferior a 105 oC e a temperatura de saída deve ficar em torno de 94 oC .
http://www.ital.sp.gov.br/bj/artigos/bjft/2007/p06273.pdf
Entre Entre no no site site indicado indicado ao ao lado; lado; éé um trabalho propondo uma um trabalho propondo uma nova nova forma forma de de clarificação! clarificação!
FILTRAÇÃO A filtração tem por objetivo recuperar uma quantidade de açúcar contida no caldo proveniente do lodo extraído dos decantadores. Este processo é realizado pelos filtros rotativos a vácuo ou por filtros tipo prensa, cujo principio de operação é a retenção do lodo em uma superfície de filtragem através de vácuo formado por bombas ou multi-jatos. A retenção indica a porcentagem de impurezas que ficaram retidas na tela dos filtros. O restante passa a ser o caldo filtrado e retorna para o processo. Para que este processo tenha eficiência é necessário que o lodo apresente certa consistência, isso significa que este deve apresentar uma textura. O lodo apresenta um brix em torno de 15 a 17 o e é nesta faixa que encontramos maior taxa de retenção nos filtros, ocasionando maior recuperação. Nestas condições o brix do caldo filtrado deve estar em torno de 7 a 11.
Esquema Filtro Rotativo
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Fonte - SMAR
Fitro Rotativo
Fonte – Usina Coruripe Campo Florido
Filtro Prensa
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Fonte – Tecnopulp
Parâmetros de trabalho -
Temperatura do lodo deve ser maior que 80 oC
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Temperatura da água de lavagem deve ser em torno de 80 oC
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Umidade da torta – 70 – 75 %
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Pressão da água de lavagem 1,5 – 2,0 Kg / cm 2
-
Espessura da torta 7 – 10 mm
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Quantidade de bagacilho 6 – 10 Kg / TC
-
Pol da torta de filtro < 1,5 %
EVAPORAÇÃO O tratamento do Caldo fornece um caldo clarificado. Este caldo é açúcar dissolvido na água, com certas impurezas. Como já foi eliminada parte das impurezas é preciso evaporar a água, esta é a finalidade da evaporação. Um evaporador é constituído basicamente de uma calandra tubular, sendo que o vapor de aquecimento envolve os tubos externamente e o caldo a ser evaporado está no interior dos tubos. A forma de aquecimento entre o vapor e o caldo se dá através de troca térmica transmitida pela parede do tubo. O vapor entra na calandra com uma temperatura e pressão fixa, no qual condensa, liberando assim seu calor latente. No interior dos tubos está o caldo com uma temperatura e pressão menor que absorve o calor liberado pela condensação do vapor.
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Porém, à medida que a água é extraída do caldo, o açúcar fica concentrado, até aproximar do seu ponto de saturação, isto é, do ponto em que os cristais começam a aparecer na massa. (Castro e Payne)8,9 A concentração é levada até seu ponto máximo, quando o licor-mãe fica apenas nos espaços livres entres os cristais (massa cozida). Evidentemente uma massa assim não pode ser manipulada como um caldo ou um xarope líquido. Por isso a concentração é separada em duas fases: A evaporação, que concentra o caldo clarificado até formar o xarope, trabalhando apenas com um produto líquido. O cozimento, que começa justamente antes do momento em que os cristais começam a aparecer no xarope e vai até a concentração máxima. O ponto de cristalização do caldo de cana fica nas proximidades de 78 o a 80o brix. Teoricamente é possível obter a evaporação até 75 o brix, porém no cozimento é preciso de um xarope ainda capaz de dissolver cristais falsos, que se formam no início do cozimento. Por isso o xarope tem em média 65 o brix. A remoção inadequada dos condensados pode causar afogamento parcial dos tubos no lado da calandra, com redução da superfície efetiva de aquecimento. Os condensados contaminados são encaminhados para a fábrica, como água de diluição e o condensado bom é retornado para a geração de vapor (caldeiras) para o seu reaproveitamento. O vapor utilizado na Pré-Evaporação é o Vapor de Escape das turbinas a vapor do setor de moagem e da casa de força. O Vapor de Escape possui uma pressão média de 1,5 kgf/cm² (pressão atmosférica). Em média a evaporação consome entre 200 a 300 quilos de vapor para evaporar 1000 quilos de água. Enquanto o cozimento consome em média 1100 quilos de vapor para evaporar até 1000 quilos de água. O depósito e as incrustações formam uma camada sobre a parede dos tubos, cuja resistência à transmissão de calor aumenta com a espessura da parede de incrustação, causando redução da área de troca térmica. Neste caso, o funcionamento ideal de um evaporador está diretamente relacionado à sua limpeza. O funcionamento de um evaporador com tubos sujos é ruim, tornando-se assim indispensável os cuidados com a limpeza dos tubos. A evaporação é dividida em duas partes: Pré-evaporação e Evaporação. O caldo é primeiro concentrado em um vaso de pressão (pré-evaporador), que trabalha com Vapor de Escape com pressão de 1,5 kgf/cm² na calandra. A água evaporada é extraída do corpo do pré-evaporador em forma de vapor a 0,7 kgf/cm² (Vapor Vegetal). O Vapor Vegetal gerado nos pré-evaporadores é utilizado na evaporação em múltiplos efeitos, nos cozedores a vácuo e nos aquecedores de caldo. O caldo 8
PAYNE,J.H; Operações Unitárias na Produção de Açúcar de Cana, 1989, pag.97
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CASTRO,S.B; Tecnologia do Açúcar, 2007, pag. 167
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pré-evaporado contém uma concentração em média de 20° brix. Esse caldo é enviado para a evaporação em múltiplos efeitos, que deverá ser concentrado até formar o xarope, com concentração em média de 65 brix. Na evaporação em múltiplos efeitos, o vapor da ebulição do caldo de um corpo é usado como fonte de calor para o corpo seguinte. Isto pode ser realizado pela redução da pressão no corpo seguinte. Em um arranjo em série, ou múltiplos efeitos, o princípio de Rillieux estabelece que uma unidade de vapor deve evaporar tantas unidades de água quantos forem os corpos ou efeitos. Assim, em um conjunto de 4 efeitos em série, ou quádruplo efeito, como é conhecido, uma unidade de vapor é capaz de evaporar quatro unidades de água. No corpo do último efeito é feito vácuo para garantir a queda de pressão e temperatura de cada efeito. Esquema evaporação:
Fonte - SMAR
Para se obter um Vácuo, os vapores liberados pela evaporação devem ser condensados. O condensador é um recipiente cilíndrico e fechado. A água fria entra na parte superior e em contato com os vapores quentes os condensam aumentando sua própria temperatura. A mistura da água fria e dos condensados dos vapores, saem pela parte inferior do condensador, por uma tubulação até o poço quente, que está no piso zero. Esta água é enviada para a torre de resfriamento
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e voltará novamente para o condensador, em um circuito fechado. Os condensadores mais utilizados são: Condensador em contracorrente, Condensador de corrente paralela Existem vários tipos de evaporadores: Evaporador Roberts que é o convencional e mais utilizados pelas usinas. Evaporador Kestner, que é muito utilizado na África do Sul. Evaporador de filme descendente, que está sendo introduzido nas usinas. Evaporador a placa, que é mais utilizado nas refinarias de açúcar para concentração da calda. Parâmetros de trabalho Usina Coruripe Campo Florido Pressão do vapor de aquecimento: quanto maior for a pressão do vapor de aquecimento maior será a sua temperatura, portanto maior será a diferença de temperatura entre o caldo e o vapor, conseqüentemente maior será taxa de evaporação. Temperatura do vapor produzido no último efeito: quanto menor for a temperatura do vapor do último efeito, maior será a diferença de temperatura do vapor de aquecimento do primeiro efeito e maior a taxa de evaporação. Temperatura de entrada do caldo no primeiro efeito: para o pré-evaporador começar a evaporar, o caldo deve ser aquecido até temperatura de ebulição correspondente a pressão de trabalho. Caso o caldo não seja aquecido, parte da superfície do pré será utilizada para fazer o aquecimento reduzindo a área de evaporação, por isso é de extrema importância o reaquecimento do caldo nos aquecedores antes de entrar no pré evaporador. Nível de caldo no corpo: o nível ideal de trabalho no interior do evaporador é 1/3 da altura dos tubos. Com a elevação do nível, há um aquecimento na pressão hidrostática nas camadas inferiores de caldo, com conseqüente elevação do ponto de ebulição e redução da taxa de evaporação. Com redução do nível, falta caldo para manter toda superfície de aquecimento coberta, conseqüentemente teremos redução da taxa de evaporação. Portanto o nível é extremamente importante para trabalhar na melhor condição operacional do equipamento, sendo que um nível elevado de caldo no corpo possibilita uma perda de açúcar por arraste. Extração de águas condensadas: o vapor condensado na calandra se transforma novamente em água. Essa água deve ser drenada por meios de purgadores, sifão ou balão de controle de nível. O objetivo desses três sistemas de drenagem é, além de drenar toda água para evitar o alagamento da calandra, não deixar passar vapor. Com o alagamento da calandra, parte da superfície de evaporação ficaria inutilizada porque a água tem um baixo
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coeficiente de transmissão de calor, reduzindo assim a capacidade de evaporação do equipamento. Extração de gases incondensáveis: o vapor de escape tem uma pequena porcentagem de ar que se acumula na calandra formando uma bolsa que impede o acesso de vapor nesse local. Já o vapor vegetal, além de conter ar, também contém gases desprendidos do caldo que são incondensáveis e precisam ser retirados. Os gases são retirados do interior da calandra por meios de tubulações apropriadas sendo que do pré e da primeira caixa de um múltiplo efeito, os gases são descarregados para a atmosfera pela diferença de pressão, pois o vapor tem a pressão maior que a pressão atmosférica. As demais caixas têm tubulação ligada por multi-jato porque a pressão do vapor na calandra é menor que a pressão atmosférica (vácuo). Vazamentos: as caixas que trabalham sob vácuo precisam ser testadas toda vez que pararem para limpeza, pois pode haver algum local para entrada de ar falso e perdas de açúcar na água condensada. Caso a entrada de ar seja pequena, o sistema de drenagem de gases incondensáveis é suficiente para drenar. Mas, normalmente a entrada de ar é grande e o mesmo se expande ao entrar no equipamento devido a pressão negativa e a temperatura alta, reduzindo a capacidade do evaporador. Os testes das calandras também são importantes para que se possam evitar perdas e contaminação da água condensada e desgaste prematuro da tubulação.
Entre Entre nos nos sites sites indicados indicados abaixo: abaixo: apresentam apresentam oo conceito conceito de de engenharia engenharia de de fluxo fluxo de de corrente corrente em em um um evaporador evaporador ee os os diferentes diferentes sistemas sistemas de de operação! operação!
http://www.fcav.unesp.br/omir/aulastaa/aulasacucar/aulaacucar5.pdf http://ltar.trix.net/doc/opu/Evaporadores_ver2_1.pdf
CRISTALIZAÇÃO DO AÇÚCAR A cristalização é o processo inicial na fabricação de açúcar. Esta operação tem por objetivo gerar cristais de açúcar relativamente uniformes através da propriedade da sacarose de formar soluções supersaturadas extraordinariamente estáveis, sendo que os cristais se desenvolvem a partir da deposição da sacarose no núcleo destes cristais. O processo de cristalização é feito através da concentração do licor mãe (xarope ou mel) dentro do tacho de cozimento, onde as condições de temperatura
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e pressão são determinantes neste processo. Quando o licor mãe é concentrado em um cozedor, em determinado momento atinge o seu ponto de saturação. A partir deste ponto os cristais não aparecem imediatamente e nesta condição chamamos de zona insaturada. Esta fase tem como propriedade a condição de não permitir o desenvolvimento de cristais, em virtude do coeficiente de solubilidade do açúcar. Entretanto se continuarmos a concentrar o licor mãe, teremos uma mudança de estado físico passamos da zona insaturada para a zona saturada e a partir deste momento se adicionarmos cristais de açúcar estes se desenvolverão. A solução neste ponto é chamada de supersaturada. Continuando a concentrar o licor mãe, este passará da zona supersaturada para a zona metaestável. Nesta condição os cristais existentes continuarão a crescer, entretanto não existe a formação de cristais espontâneos. Continuando a concentrar o licor mãe, este passará da zona metaestável para a zona lábil, nesta condição os cristais existentes continuarão a crescer, entretanto existe a formação de cristais espontâneos. A distinção entre estas fases dentro do processo de cristalização é crucial na eficiência de recuperação da fábrica e na qualidade do açúcar. O açúcar a ser produzido deve ter uma condição granulométrica ideal. O tamanho do cristal é determinado pelo tempo de cozimento, pureza do licor mãe, viscosidade da massa cozida e zona de saturação. Existem três métodos diferentes de cristalização (Castro 2007) 10: Semeadura completa – neste processo adiciona-se cristais de açúcar previamente preparados (semente), obedecendo a uma condição granulométrica pré definida, sendo que o ponto de semeadura ocorre na zona metaestável; neste processo tem-se o objetivo de gerar cristais somente provenientes da semente. Choque – neste processo a geração de cristais ocorre através do choque térmico provocado durante o processo de concentração do licor mãe. Durante o processo de concentração do licor mãe injeta-se água fria no cozedor, fazendo com que ocorra a geração de cristais espontâneos; esta operação ocorre na zona de saturação. Espontânea - neste processo a geração de cristais ocorre exclusivamente através da concentração do licor mão até atingir a zona lábil de concentração, neste momento ocorre a geração espontânea de cristais.
A diferença entre os três processos está na qualidade dos cristais gerados. A cristalização por semeadura permite a geração de cristais mais homogêneos, entretanto as condições de operação são determinantes para que, durante o processo de cristalização, a concentração do licor esteja na zona metaestável e 10
CASTRO,S.B; Tecnologia do Açúcar, 2007, pag. 231
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não ocorra a geração de cristais espontâneos.
Este controle pode ser feito manualmente, entretanto é muito vulnerável, pois depende exclusivamente do operador. O controle através sistemas de automação permitem uma estabilidade e uniformidade da operação.
Segue abaixo uma curva de saturação, sendo que os fatores pureza e temperatura é que determinam as faixas de saturação da massa cozida.
Fonte - SMAR
COZIMENTO O esgotamento é a proporção de sacarose extraída de uma massa cozida. O esgotamento da sacarose é realizado em várias etapas dentro de uma fábrica de açúcar. O processo empregado que proporciona uma maior recuperação da sacarose é o de três massas (A, B e C), que consiste em três tipos de cozimentos, entretanto pode-se operar com duas massas (A e B). Cozimento A: também conhecido como cozimento de primeira, consiste em se esgotar a sacarose do xarope, que contém uma pureza média de 80 a 90. Este cozimento tem início com o magma do cozimento C, que são cristais com
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tamanho médio de 0.3 milímetros, que ao crescerem, esgotam a sacarose do licor-mãe. Ao final do cozimento, o açúcar A deve ter um tamanho de 0.8 a 1 milímetro que está misturado com o seu licor-mãe, que deve estar com uma pureza menor, cerca de 68 a 72. Essa massa cozida A será centrifugada para separação do açúcar e seu licor-mãe (mel rico). O esgotamento deste cozimento é muito eficiente, esgotando-se em média de 50 a 60% da sacarose do xarope, portanto o açúcar produzido é o de melhor qualidade possível na planta (quanto à pureza, polarização, cor, cinzas, etc.)
Cozimento B: também conhecido como cozimento de segunda, consiste em esgotar a sacarose do mel rico extraído do cozimento A, que contém uma pureza média de 68 a 72. Este cozimento tem início com o magma do cozimento C e o processo é igual ao cozimento A, porém ao final do cozimento, o açúcar B deve ter um tamanho médio de 0.7 milímetros que está misturado com o seu licormãe, que deve estar com uma pureza menor, cerca de 56 a 60. Essa massa cozida B será centrifugada para separação do açúcar e seu licor-mãe (mel pobre). O esgotamento deste cozimento é menor, devido à maior viscosidade da massa B, esgotando-se em média de 40 a 50% da sacarose do mel rico. O açúcar B é mais pobre, por isso normalmente não é comercializado. Normalmente é refundido para ser misturado ao xarope (aumentar a pureza) ou para fabricação do açúcar refino granulado. Cozimento C: também conhecido como cozimento de terceira ou de granagem, consiste em esgotar a sacarose do mel pobre extraído do cozimento B, que contém uma pureza média de 60. Este cozimento tem início com mel pobre ou rico, aonde será concentrado até uma determinada supersaturação, onde será introduzida a semente (cristais preparados em laboratório com tamanho médio de 0.1 milímetro), que ao crescerem, esgotam a sacarose do licor-mãe. Ao final do cozimento, o açúcar C deve ter um tamanho médio de 0.3 milímetros que está misturado com o seu licor-mãe, que deve estar com uma pureza menor, cerca de 35 a 40. Essa massa cozida C será centrifugada em centrifuga contínua, para separação dos cristais e seu licor-mãe (mel final). Esquema de cozimento
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Fonte – SMAR
Esquema do cozedor batelada
Esquema do cozedor contínuo
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Fonte - SMAR
O processo de cozimento pode ser conduzido de forma batelada ou contínuo, a diferença está no equipamento e nível de automação empregado. Entretanto não é muito usual encontrar cozedores contínuos para massa A, na maioria das aplicações são utilizados para massa B e C, isto em função da pureza das massas.
CENTRIFUGAÇÃO A massa cozida descarregada de um cozedor apresenta uma supersaturação acentuada. Deixando-a em repouso nos cristalizadores, a sacarose ainda contida no licor-mãe continua a depositar-se sobre os cristais. Este processo é denominado de cristalização a frio. O tempo de residência nos cristalizadores é determinante para completar a formação dos cristais e aumentar o esgotamento do licor-mãe. Os cristalizadores têm a função de pulmão para a alimentação das centrifugas de açúcar, sendo que a alimentação das centrifugas ocorre por ação da gravidade. Nesta etapa ocorre a separação por processo físico dos cristais gerados no cozimento do licor da massa. Esta operação é realizada em centrifugas de secagem, que são chamadas de turbinas ou centrifugas. Existem dois tipos de centrífugas: contínua e batelada (Hugot, 1977)11. A centrífuga contínua é utilizada para a separação dos cristais do açúcar B e C, para a formação do magma, que será utilizado como pé dos cozimentos de massa A e B quando está se trabalhando com 3 massas. Entretanto quando está se trabalhando com 2 massas a centrifuga contínua é utilizada para a separação 11
HUGOT,E; Manual de Engenharia Açucareira, 1977, volume 2 pag. 780
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do açúcar B, para a formação do magma , que será utilizado como pé de cozimento de massa A. O processo de separação é feito pela diferença do tamanho dos cristais e a abertura da tela da centrifuga, pode variar de 0,04 a 0,09 mm de abertura. A centrífuga batelada é constituída de um motor, situado na parte superior, o qual aciona um eixo vertical que sustenta uma cesta cilíndrica, onde se coloca a massa cozida a ser turbinada. Esta cesta é perfurada, para deixar passar o licormãe (mel), reforçada com anéis, para resistir à força centrífuga e guarnecida com telas metálicas para reter o açúcar e ao mesmo tempo deixar passar o mel. É aberta na parte superior, para a introdução da massa cozida e na parte inferior, para descarga do açúcar. A operação é completamente automática e requer apenas ajustes de tempo para as etapas sucessivas de aceleração inicial, carga, aceleração em baixa velocidade, lavagem, aceleração para alta velocidade, frenagem e descarga do açúcar. Tais ajustes são determinados pelas características da massa cozida e da qualidade do açúcar desejado. Um ciclo completo leva normalmente cerca de 2 a 3 minutos. O site abaixo mencionado apresenta informações interessantes, referentes às características construtivas e tecnológicas de centrifugação de açúcar. http://www.westfaliaservice.com.br/weplan.htm
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SECAGEM DO AÇÚCAR
O açúcar comercial saindo das centrífugas contém em média, uma umidade de 0.5 a 2%. Esta umidade representa graves inconvenientes à conservação do açúcar quando passa do limite de umidade acima de 1%. Os problemas decorrentes do excesso de umidade são empedramento que geram problemas na movimentação e custos adicionais para a operação, outro problema ocasionado é o amarelamento do açúcar durante o processo de estocagem, sendo que este aumento de cor pode levar a problemas de especificação da qualidade, desclassificando o açúcar de um padrão a ser obedecido. Com a operação de secagem do açúcar é possível diminuir a umidade para 0.1 a 0.2%, obtendo uma melhor conservação do açúcar, além de aumentar a polarização e a titulação proporcionalmente à água extraída. O rendimento financeiro é muito superior à perda de peso ocasionada pela água evaporada. Um secador compreende um aquecedor de ar com ventilador e é dividido em uma parte de secagem e outra de esfriamento. A secagem por insuflação de ar quente consiste no aquecimento de ar para aumentar sua capacidade de absorção de água e em projetá-lo sobre o açúcar, o que provoca a evaporação da
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umidade. Existem secadores verticais e horizontais. O secador horizontal é formado por um tambor rotativo, com uma inclinação de 5 a 7%, que facilita a progressão do açúcar. O ar quente que saí através do secador contém uma poeira muito fina de açúcar, por isso é enviado para uma coluna de lavagem para recuperação do açúcar. Esquema secador de açúcar
Fonte – SMAR
Secador de açúcar tipo horizontal
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Fonte – MAUSA
REFINARIA O açúcar denominado refinado é um produto comercial de maior valor agregado, a sua fabricação é proveniente da dissolução do açúcar cristal (demerara, VHP ou açúcar B). Esquema refinaria
Fonte - Autor
A afinação consiste na extração da película de mel que envolve a superfície do cristal. O cristal em si consiste em uma sacarose com pureza maior que 99,5%, porem a película de mel pode apresentar uma pureza muito baixa em
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torno de 60 %. O açúcar cristal é misturado com um xarope denso 75 brix, para depois ser separado nas centrifugas, uma vez eliminado este xarope na afinação, o cristal é lavado com água quente. O açúcar lavado que saí da centrifuga de afinação é dissolvido em um derretedor, onde o açúcar é diluído com água e vapor, dando origem a calda com um brix médio de 65, que passará por um processo de clarificação . Normalmente a Clarificação é feita pelo processo de adição de cal e ácido fosfórico, que permite uma excelente clarificação de boa supressão de cor, porém o precipitado de fosfato é de difícil filtragem, por isso são utilizados os clarificadores de espuma. O princípio básico dos clarificadores de espuma é a aeração da calda, para que contenha bolhas de ar finamente separadas, e após o aquecimento da calda, o ar possa sair da solução. As bolhas de ar arrastam consigo o precipitado floculante para formar uma nata em forma de espuma, que são separadas pelos raspadores do clarificador. A calda limpa é retirada da parte inferior do clarificador, para seguir para o processo de filtragem. A calda que saí do clarificador possui uma cor clara brilhante, mas com grande parte da cor do açúcar cristal. A cor se suprime pela ação de meio de descoloração: carvão de osso animal, resinas químicas, etc. Estas substâncias extraem a cor e parte das cinzas, com muita eficiência . Depois do processo de descoloração, a calda está praticamente incolor e passa para os concentradores. A concentração da calda consiste em aumentar o brix até 75, através de concentradores à placa ou através da evaporação da água em um múltiplo efeito. A calda concentrada já está pronta para a cristalização, podendo ser utilizada para a produção do Açúcar Refinado Granulado ou do Açúcar Amorfo.
O açúcar refinado granulado é cristalizado em Cozedores à Vácuo, idênticos aos do açúcar cristal, porém com algumas modificações para manejar massas com maior pureza e viscosidade. A massa cozida de refino será centrifugada em centrífugas automáticas, para separação dos méis. O açúcar amorfo é concentrado em Tachos com aquecimento e vácuo, porém imediatamente após a cristalização é descarregado para uma batedeira para afinação do açúcar, evitando a formação de grãos grandes e empedrados.
FERMENTAÇÃO O açúcar presente no mosto (melaço e caldo de cana) é composto em maior quantidade por sacarose, embora tenha glicose e frutose. A sacarose para ser
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transformada em álcool precisa ser hidrolisada. Este processo é feito pela levedura, que se encontra nas dornas de fermentação. Esta transformação é realizada pela invertase, uma enzima que está presente na parede celular das leveduras. O produto da hidrolise da sacarose é a frutose e a glicose, que são moléculas menores quando comparadas com a sacarose, e são imediatamente fosforiladas. Esta molécula fosforilada pode seguir vários caminhos: formar polissacarídeos de reserva para a parede celular, formar aminoácidos e proteínas para as membranas e enzimas, produzir energia na forma de ATP e ácido pirúvico. Se o meio contem oxigênio o ácido pirúvico será oxidado e produzirá uma grande quantidade de energia na forma de ATP, CO 2 e água. Se não houver oxigênio o ácido pirúvico não pode ser oxidado, e será desviado para a produção de etanol. Portanto, a presença ou ausência de oxigênio, controla a produção de etanol pela levedura.
Fluxograma fermentação
Fonte - Autor
A composição do mosto de alimentação das dornas pode ser somente caldo ou a associação de caldo e mel final, pois do melaço resulta uma grande porcentagem do álcool em virtude dos açúcares presentes. A pureza do melaço depende da quantidade de esgotamento feita na fabrica de açúcar, normalmente de 58 a 60, com uma concentração média de 75 a 80 brix.
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O mosto para a alimentação da fermentação (dornas) tem uma concentração em média de 18 à 22 brix, sendo que pode ser diluído com água ou com caldo, para adequar ao brix ideal. Esta condição depende do tipo de levedura utilizada e do processo de condução da fermentação. Quando se trabalha com um mosto diluído, a fermentação é mais fácil, rápida e completa, a multiplicação é favorecida pela transferência de oxigênio, os problemas de limpeza dos aparelhos são menores, porém exige maior volume de dornas e diminui a capacidade dos aparelhos, exigindo mais vapor e água. Quando se trabalha com um mosto muito concentrado, a fermentação é mais lenta e incompleta (açúcar residual alto), exigindo mais limpeza nos aparelhos e menor rendimento da fermentação. O mosto preparado é enviado para as dornas de fermentação, onde é adicionado o levedo (fermento), iniciando a fermentação alcoólica. A fermentação alcoólica é composta por 3 fases: fermentação preliminar, fermentação principal e fermentação complementar.(Amorin,1981) 12 Fermentação Preliminar - esta fase tem início, quando o fermento é adicionado e termina quando o desprendimento de gás carbônico CO 2 se torna evidente. Nesta fase, apesar do fermento estar consumindo sacarose do mosto, praticamente não há produção de álcool, por este motivo desejase que a duração desta fase seja a menor possível. Atualmente existem métodos de fermentação que se elimina esta fase. Fermentação Principal - esta fase tem início, quando é caracterizado o desprendimento do gás carbônico CO 2. A produção de CO2 vai aumentando progressivamente e com rapidez, dando a impressão que o mosto está em plena ebulição, por este motivo há um aumento de 20% do volume e na temperatura. Então se torna necessário a verificação constante da densidade (brix) e da temperatura do mosto. As dornas possuem um sistema de resfriamento do mosto. Nesta fase a formação de álcool é máxima e rápida, diminuindo o brix do mosto até o ponto da fermentação complementar. Fermentação Complementar - esta fase tem início, quando é caracterizada a queda de desprendimento do gás carbônico CO 2 e com a diminuição da temperatura do mosto. Esta fase é muito delicada, pois é nela e que pode aparecer infecções e a formação dos alcoóis superiores, devido ao óleo da cana. Isto quer dizer que a maior rapidez desta fase, resultará em um álcool de melhor qualidade, mais fino. Esta fase é controlada pelas medições de brix, até o ponto favorável para a destilação. O brix final varia, no caso de fermentação somente de caldo, a concentração tende a zero de brix, e com composição do mosto utilizando mel a concentração final do brix é de 3 a 8, dependendo da concentração inicial de mel e outros fatores. Quando termina a fermentação alcoólica, o mosto torna-se vinho, pois não possui mais sacarose.
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AMORIN,H.V,etal; Manual do Fermentador, USP-ESALQ, 1981, pag. 23
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A fermentação alcoólica pode ser feita com processo contínuo ou em batelada. O vinho será centrifugado, para a separação do fermento. O vinho centrifugado é enviado para a dorna volante que alimenta os aparelhos de destilação, e o fermento é enviado para as cubas, onde o fermento será tratado, para ser reutilizado nas próximas fermentações. O tratamento do fermento consiste na diluição com água e diminuição do pH. O fermento deixa a fermentação com uma concentração média de 10 a 12 brix e será diluído com água até 5 brix. Depois de diluído, será tratado o pH do fermento, adicionando ácido sulfúrico para baixar o pH na faixa de 1,9 a 2,6 dependendo das condições operacionais. A oxidação da molécula de glicose (180 g) em gás carbônico e etanol libera energia equivalente a 56 kcal, sendo que cerca de 40 kcal são dissipados como calor e 16 kcal são armazenados na forma de energia química na forma de ATP. Se o meio possui oxigênio, um mol de glicose (180 g) se oxida na via glicolítica, produzindo gás carbônico e água e libera 686 kcal, sendo que 300 kcal na forma de energia química ATP. É por essa razão que na presença de oxigênio, a multiplicação da levedura é muito mais intensa, pois a quantidade de energia liberada é 19 vezes maior. Por outro lado, na presença de oxigênio, o consumo de glicose é muito menor do que na ausência. A célula necessita de uma menor quantidade de glicose quando em presença de oxigênio, porque a quantidade de energia produzida é menor. Dentro do processo de fermentação temos vários fatores que podem influenciar na conversão em etanol, estes fatores podem ser provenientes da matéria prima assim como do processo industrial. O processo apresenta uma relação estequiométrica na conversão da sacarose, onde o rendimento em álcool é afetado pela interferência de microorganismo que utilizam a sacarose para outros fins que não sejam a produção de etanol. A fermentação é uma etapa crucial dentro do processo sucroalcooleiro, pois é um processo biológico de conversão, diferente de todas as outras operações industriais, que são físico-química, esta particularidade reflete na condução do processo e de controle operacional. A cana de açúcar está sujeita a ação de microorganismo, atividade esta que se inicia no campo após o corte e com desenvolvimento acentuado durante todo o processo agroindustrial, ou seja, do campo a indústria. As principais fontes destes microorganismos são a própria flora epífita da cana de açúcar, os solos carreados com colmos por ocasião do carregamento, o pó e os equipamentos de corte contaminados. Os efeitos da deterioração da cana são evidenciados tanto pelas perdas de sacarose (oxidação e inversão) como pelos problemas operacionais causados pelos produtos gerados (aumento da viscosidade, da acidez do caldo, odor do caldo, cor do caldo, dificuldade na clarificação do caldo, redução da eficiência industrial) e da interferência no controle químico da fabricação de álcool e açúcar.
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O grande impacto da contaminação está na queda de rendimento industrial e aumento do custo operacional através do consumo de insumos para reduzir os efeitos dos contaminantes no processo. Dentro dos contaminantes destacam-se as bactérias pertencentes aos gêneros Acetobacter, Lactobacillus, Clstridium Bacillus, Aerobacter, Streptococus e Leuconostoc. De acordo com os produtos resultantes do metabolismo desses grupos de microorganismo, essas bactérias são denominadas homofermentativas quando o metabólito formado em maior proporção é o ácido láctico, e em hetereofermenteativas quando além do ácido láctico é encontrado em quantidades expressivas ácidos orgânicos (butírico,acético e fórmico). (Amorin,1981)13 Outros compostos podem ser originados do metabolismo de alguns deste microorganismo, como é o caso do dextrano, que é o resultado da ação de bactérias do gênero Leuconostoc, a ação desta bactéria na sacarose desdobrase na formação de polímeros de alto peso molecular, os quais são constituídos por resíduos de frutose e glicose, denominados pejorativamente de batatinha ou goma na indústria. A qualidade microbiológica da cana de açúcar pode ser afetada por alguns fatores dentro da cadeia produtiva: Ciclo da cultura – está associado às condições fitossanitárias, sendo o principal efeito causado pela perda de açúcar pela atividade da broca da cana (Diatréia saccharalis), esta provoca a abertura de canais no colmo da cana, facilitando a penetração microorganismo no interior do colmo, provocando a formação de gomas e de compostos fórmicos, resultando uma substância avermelhada conhecida como podridão vermelha. Corte e armazenamento – o sistema manual de corte oferece uma condição ideal para o desenvolvimento microbiano, podemos associar a uma estufa de cultura natural, pois o empilhamento da cana em feixes para o carregamento oferece condições de temperatura e umidade ideais. Durante a queimada da cana ocorre o aquecimento interno da cana decorrente da elevação da temperatura do fogo, isso desencadeia um processo de exudação da cana e a abertura de fendas no colmo, estas aberturas são os canais de penetração de bactérias e fungos, o empilhamento e o tempo decorrente até o processamento da cana faz com que o desenvolvimento microbiológico se acentue. Incidência microbiológica durante o processo - a micro flora proveniente na cana encontra condições adequadas para continuar o seu desenvolvimento, durante a extração do caldo nas moendas e fluxo do caldo nas instalações industriais os microorganismos encontram regiões de estagnação e baixa velocidade denominados de ponto morto, que são altamente favoráveis ao seu 13
AMORIN,H.V,etal; Manual do Fermentador, USP-ESALQ, 1981, pag. 15
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desenvolvimento, pela constante passagem de novos nutrientes e eliminação e de seus metabólitos. O controle destes contaminantes tem inicio no campo, através da redução do tempo decorrente entre a queima e o processamento da cana, a introdução da cana mecanizada crua é uma evolução significativa nas condições fitossanitárias da cana. Dentro da indústria este controle pode ser feito através de um melhor desenho de equipamentos e instalações adequadas buscando a eliminação de pontos mortos, a criação de procedimentos de limpeza mais eficientes e indicadores de contaminação para cada etapa do processo. Dentre os fatores operacionais da indústria que afetam o rendimento da fermentação, a temperatura é o mais grave, pois acima de 35°C afeta diretamente o desempenho da levedura, tendo como conseqüência o aumento da contaminação bacteriana. Segundo Amorin (FERMENTEC, 2001) relatam que os dados práticos encontrados mostram que para cada 1 grau °C acima de 34°C, o rendimento da fermentação diminui em 0,5%, esta queda está associada ao aumento das bactérias que faz aumentar o consumo de açúcar que iria se transformar em álcool; a bactéria faz flocular o fermento causando perdas consideráveis de fermento na centrifuga e aumento do tempo de fermentação.
DESTILAÇÃO O vinho centrifugado é bombeado da dorna volante para caixa de vinho no topo da destilaria, ou diretamente para o condensador E, sendo aquecido com os vapores da coluna retificadora B. O vinho praticamente desagasado é aquecido a uma temperatura de 70 a 75°C, passando a seguir ao conjunto de recuperadores ou trocador K, onde é aquecido com a vinhaça que sai da base da coluna epuradora A, alcançando uma temperatura de 90 à 94°C, entrando na coluna A1, aonde sofre uma epuração a baixo grau. Na coluna A1, o vinho é aquecido com os vapores que sobem da calandra, entrando em ebulição, perdendo maior parte das impurezas, principalmente os produtos leves ou produtos de cabeça que sobem para a coluna D, sobreposta a Coluna A1. Da base da coluna A1, o vinho passa para a coluna A, onde o vinho vai descendo e se empobrecendo em álcool até chegar na base da coluna A, originando a vinhaça. O vapor injetado na base da coluna A, sobe entrando em contato com o vinho que está descendo, chegando na coluna A16, onde é retirada da coluna A, originando a flegma. A flegma que sai da coluna A16 entra na base da coluna B (que está em cima da coluna B1) e vai subindo pela coluna B, até chegar ao topo com 96° GL, originando o álcool hidratado. Na coluna B1 (coluna de esgotamento), a flegma vinda da coluna A, vai se esgotando gradativamente até a sua base, onde está a entrada de vapor. Na base da coluna B sai o álcool fraco que retorna para a coluna A.
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Esquema Produção Álcool Etílico Hidratado Carburante (AEHC)
PRODUÇÃO DE AEHC (2 COLUNAS) ÁLCOOL DE SEGUNDA
VINHO R1
R
E
E1
E2
D
A’
A
C
B
B1
ÓLEO FÚSEL
K
VINHAÇA
ÁLCOOL HIDRATADO CARBURANTE
FLEGMAÇA
Fonte - Autor
O álcool hidratado que sai da coluna B, vai para a coluna C (desidratadora), atingindo a concentração de 99 a 99,8°GL originando o álcool anidro, No pé da coluna entra o vapor, que vai subindo entrando contato com álcool hidrato extrai a molécula de água através de um agente desidratador.
Atualmente encontramos alguns processos de desidratação: Ciclo hexano
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Process w ater
H
I
Cooling w ater 27 oC
Cyclohexane Pur = 99,5 %
P
C Hydrous alcohol 93 %w - 78 oC
F steam 1,5 Bar - 127
Steam 1,5 Bar - 127 oC
L
Condensate 100 oC
Process w ater
J
Anhydrous alcohol 99,3 %w - 30 oC
Lutter w ater 0,03 %w Cooling w ater
Fonte - Dedine
A destilação azeotrópica é definida a partir do princípio de que a presença de um determinado solvente volátil, ou low boiling (ciclohexano), na mistura azeotrópica (água+álcool), forma um novo azeótropo, ternário, mais volátil que a mistura inicial, cuja composição é seletivamente mais rica em água que álcool, com respeito à mistura original. Isto leva a uma retirada contínua, pelo topo da coluna desidratadora “C”, de uma mistura azeotrópica na forma vapor com praticamente toda a água de entrada do álcool hidratado, enquanto a base produz álcool anidro, muitas vezes com 99,9% em etanol. O solvente não é 100% seletivo em água e, neste caso, arrasta uma grande quantidade de álcool também. Assim, a mistura azeotrópica ternária é levada a um decantador, chamado de decantador de ternário, e uma coluna “P”, chamada de coluna de recuperação de solvente, uma vez que aí é recuperado todo o Ciclohexano e todo o álcool arrastado. O ciclohexano fica em recirculação em circuito fechado, enquanto que a água retirada da corrente de álcool hidratado sai pela base da coluna P.
Monoetilenoglicol (MEG)
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Process w ater 45 oC
H
I
Vacuum 25 " Hg
I1
Cooling w ater 27 oC
Lutter water 20 %w - 55 Pure glycol
Steam 1,5 Barg - 127
R
C C
Anhydrous Alc ohol 99,3 %w - 30 oC
R
Condensate 100 oC Steam 10 Bagr - 183
T L
Condensate 100 oC Process w ater 40 oC
T1
Steam 10 Barg - 183
Condensate 100 oC Hydrous alcohol 93 %w - 30 o C
Fonte - Dedine
O processo de desidratação extrativa via monoetilenoglicol é definida a partir do princípio de que a presença de um determinado solvente, high boiling (monoetilenoglicol), na mistura azeotrópica (água+álcool), forma um novo azeótropo, ternário, menos volátil que a mistura água-álcool, cuja composição é seletivamente mais rica em água que álcool, com respeito à mistura original. Isto leva a uma retirada contínua, pela base da coluna desidratadora “C”, de uma mistura azeotrópica com praticamente toda a água de entrada do álcool hidratado, enquanto o topo da coluna “C” produz álcool anidro, muitas vezes com 99,9% em etanol. Como no caso da destilação azeotrópica, o solvente não é 100% seletivo em água e, neste caso, arrasta uma grande quantidade de álcool para a base. Parte do álcool arrastado é recuparado na coluna desalcoolizadora “D”. Assim, a mistura azeotrópica ternária é levada a uma coluna “R”, chamada de coluna de recuperação de solvente, uma vez que aí é recuperado todo o etilenoglicol anidro, que está pronto para ser enviado novamente para a coluna desidratadora. O etilenoglicol fica em recirculação em circuito fechado, enquanto que a água retirada da corrente de álcool hidratado sai pelo topo da coluna R.
Peneira molecular
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Fonte – Órion Automação
O processo de desidratação adsortiva via peneira molecular é definida a partir do princípio de que a zeólita, conhecida como peneira molecular adsorve seletivamente a água em uma mistura água+álcool vaporizada e super-aquecida, quando submetida a pressões entre 2,0 a 5,0 barg, e dessorve o flegma em vácuo da ordem de -0,8 barg, em uma operação conhecida como pressure swing. Menos conhecida comercialmente é a operação tipo temperature swing, onde a adsorção é feita em baixa temperatura e a dessorção em temperaturas mais altas – trata-se de um processo com investimento bem mais alto. A adsorção na peneira molecular leva a uma retirada contínua, ou melhor, semi-contínua, de praticamente toda a água de entrada do álcool hidratado, enquanto a saída do vaso que contém a peneira molecular produz álcool anidro, muitas vezes com 99,9% em etanol. Como nos casos da destilação azeotrópica e extrativa, a peneira molecular não é 100% seletiva em água e, neste caso, arrasta uma grande quantidade de álcool quando de realiza a regeneração da zeólita sob vácuo. Todo álcool arrastado é recuperado numa coluna retificadora “B”, que não precisa ser dedicada. Parte do etanol fica em recirculação em circuito fechado, enquanto que a água retirada da corrente de álcool hidratado sai pela base da coluna retificadora B.
Leitura Obrigatória http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/cana-deacucar/arvore/CONTAG01_102_22122006154841.html
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Neste site o aluno vai encontrar informações gerais do processo de produção de álcool e açúcar, o aluno deve pesquisar em todo o site buscando agregar conhecimentos e informações complementares para o desenvolvimento cognitivo. O site apresenta ícones na parte inferior onde o aluno deve pesquisar utilizando a nomenclatura descrita neste material.
Leitura Complementar Os sites abaixo relacionados são da Copersucar, foi um importante instituto de pesquisa da agroindústria sucroalcooleiro, atualmente este papel está sendo realizado pelo CTC (centro tecnológico canavieiro). Neste site o aluno vai encontrar de maneira muito prática e didática as etapas dos processos mencionados anteriormente. http://www.copersucar.com.br/institucional/por/academia/acucar.asp http://www.copersucar.com.br/institucional/por/academia/alcool.asp Fementação Alcoólica: Ciência e Tecnologia – Fermentec; 2005 – editora Fermentec
Referência Bibliográfica AMORIM; H.V; - Fermentação Alcoólica – 21ª reunião anual FERMENTEC – Piracicaba – 2000 AMORIM; H.V; - Cristalização do açúcar – 21ª reunião anual FERMENTEC – Piracicaba – 2000 AMORIM; H.V;etal – Manual do fermentador– USP- ESALQ - Piracicaba – 1981 CASTRO;S.B; - Tecnologia do açúcar – UFPE – Recife - 2007 CAMARGO;C.A; - Conservação de energia na industria do açúcar e do álcool – IPT – São Paulo – 1990 HUGOT;E; - Manual de Engenharia Açucareira – São Paulo - 1977 PAYNE;J.H; - Operações unitárias na produção de açúcar de cana – STAB – Piracicaba - 1990
Atividades Atividade 1 Monte o fluxograma do processo de fabricação de álcool e açúcar.
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Atividade 2 Relacione o objetivo da clarificação do caldo para os processos de fabricação de açúcar e álcool, e suas etapas. A clarificação do caldo para a produção de açúcar e álcool tem como objetivo: Remover as impurezas em suspensão Evitar a inversão da sacarose Evitar a destruição dos açucares redutores Diminuir o teor de sais solubilizados Diminuir os não açúcares de origem orgânica e inorgânica Aumentar o coeficiente de pureza do caldo Produzir um caldo límpido, transparente, tal qual o obtido pela dissolução de açúcar em água
O processo de clarificação envolve asseguintes etapas: Caleação ou Defecação
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Sulfitação Aquecimento Decantação Filtração Atividade 3 Descreva os métodos de alcalinização utilizados nas industrias? Alcalinização a frio: adiciona-se leite de cal ao caldo com temperatura que sai da moenda, elevando o pH para 7.0 a 7.2; aquece-se em seguida para uma temperatura em torno de 110°C. Alcalinização a quente: aquece-se o caldo para uma temperatura em torno de 100°C, e em seguida adiciona-se leite de cal elevando o pH para 7.0 a 7.2. Alcalinização fracionada: adiciona-se leite de cal ao caldo com a temperatura que sai da moenda elevando o pH para 6.0 a 6.5, em seguida aquece-se o caldo para uma temperatura em torno de 110° e adiciona-se leite de cal elevando o pH para o padrão de operação determinado. Alcalinização fracionada com duplo aquecimento: aquece-se o caldo até uma temperatura em torno de 65° a 70°C e em seguida adiciona-se leite de cal ao caldo elevando o pH para 6.0 a 6.5; em seguida aquece-se o caldo para uma temperatura em torno de 110° e adiciona-se leite de cal elevando o pH para o padrão de operação determinado Atividade 4 Qual a finalidade da sultitação e quando é utilizado este processo? Ação purificante Ação descorante Ação neutralizante Ação fluidificante Ação preservativa Ação precipitativa A sulfitação é aplicada para obtenção de açúcar branco.
Atividade 5 Qual a diferença entre os decantadores tipo convencional e rápido?
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A diferença entre decantadores tipo convencional e tipo rápido consiste na velocidade de floculação principalmente, fazendo com tenham tempos de retenção distintos. Do ponto de vista construtivo os decantadores tipo convencional apresentam maior números de bandeja com entrada e saída de caldo individualizada por bandeja, enquanto os decantadores tipo rápido apresentam somente uma bandeja, entretanto a entrada de caldo pode variar dependendo o tipo de projeto, pode se uma entrada ou mais. Atividade 6 Qual objetivo e o princípio da filtração e os sistemas utilizados atualmente para esta operação? A filtração tem por objetivo recuperar uma quantidade de açúcar contida no caldo proveniente do lodo extraído dos decantadores, cujo principio de operação é a retenção do lodo em uma superfície de filtragem através de vácuo formado por bombas ou multi-jatos. Este processo é realizado pelos filtros rotativos a vácuo ou por filtros tipo prensa.
