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UFMA – UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA QUÍMICA CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
KAREN GUSMÃO FERNANDES ZILMARA ZAMYLA DA SILVA ALMEIDA
PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO AÇÚCAR CRISTAL
SÃO LUÍS 2011
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KAREN GUSMÃO FERNANDES ZILMARA ZAMYLA DA SILVA ALMEIDA
PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO AÇÚCAR CRISTAL Trabalho apresentado para avaliação da aprendizagem na disciplina de Processos Químicos Industriais, 3º período do Curso de Graduação em Engenharia Química na Universidade
Federal
do
Maranhão,
ministrada pelo Prof. Henrique Cardias.
SÃO LUÍS 2011
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"O que os homens realmente querem não são conhecimentos, mas certezas." Bertrand Russel Russel
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RESUMO
Este trabalho trata do Processo de fabricação do açúcar. Inicialmente, abordam-se o processo agrícola da cana-de-açúcar e suas propriedades. Em seguida, é dada ênfase ao processo industrial de extração da sacarose da cana-de-açúcar e sua transformação em açúcar cristal branco. Tendo-se em vista a analise do processo industrial, é comentado e descrito de maneira clara e detalhada cada etapa do processo, assim como os equipamentos e operações que o compõem. Apresenta-se, finalmente, a situação comercial do açúcar a nível estadual, regional, nacional e mundial, assim como as relações de exportação e cotação no mercado. Palavras-Chaves: Açúcar; Cana-de-açúcar; Caldo Clarificado; Xarope.
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ABSTRACT
This Work explains the Sugar Manufacturing Process. Initially, is need to approach the Sugar cane Agricultural Process and hers properties; In a row, is necessary emphasize the Industrial Process of sucrose extraction of Sugarcane and her transformation at Whit Crystal Sugar. Given that Industrial Process analysis has been comment and describe clearly and soundly each stage of process, just like the equipment and operations that compounded. Finally, has been presented, the sugar commercial situation in a state plane, regional plane, national plane and world plane, just like the relations of exportation and valuation in a market. Keywords: Sugar; Sugar cane; Clarified broth; Syrups.
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO
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2. PROPRIEDADES E USOS DO AÇÚCAR
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2.1. Propriedades 3. CANA DE AÇÚCAR
9 10
3.1. Clima e Solo 3.2. Plantio
10 11
3.3. Maturadores Químicos
11
3.4. Determinação do Estágio de Maturação
12
3.5. Colheita
12
4. DIAGRAMA DE BLOCO DO PROCESSO
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5. REAÇÕES QUÍMICAS ENVOLVIDAS NO PROCESSO 5.1. Processo de Sulfitação
13 13
5.2. Preparo do Leite de Cal
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5.3. Calagem
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6. OPERAÇÕES UNITÁRIAS ENVOLVIDAS NO PROCESSO 7. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO AÇUCAR
14 14
7.1. Transporte da cana á usina
15
7.2. Mesas alimentadora e moendas
15
7.3. Bagaço
16
7.4. Purificação 7.4.1. Sulfitação
17 18
7.4.2. Calagem
20
7.4.2.1.
22
Preparo do leite de cal
7.5. Aquecimento do caldo
23
7.6. Balão de Flash
23
7.7. Decantação 7.7.1. Tipo de decantadores
24 25
7.7.1.1. 7.7.1.2.
Decantador Rápido (sem bandeja) Decantador Convencional
7.8. Filtração 7.8.1. Tipos de Filtro
25 27 28 29
6
7.8.1.1.
Filtro de Prensa
29
7.8.1.2.
Filtro Rotativo
29
7.8.1.3.
Prensa Desaguadora
31
7.9. Evaporação
31
7.10. 7.11.
Cozimento Cristalização
33 33
7.12.
Centrifugação
34
7.13.
Secagem
34
8. PRODUTO FINAL E SITUAÇÃO DO MERCADO
35
8.1. Produção
35
8.2. Distribuição
38
9. CONCLUSÃO
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ANEXOS LISTA DE SIGLAS E CONCEITOS
42 45
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
46
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1. INTRODUÇÃO
A natureza sempre forneceu alimentos, entre o seu amplo estoque do reino vegetal, para prover os edulcorantes que os homens usam na sua dieta. O grande consumo do açúcar pelas pessoas se deve não apenas ao prazer de um gosto adocicado, mas também às exigências de um corpo ativo quanto a um combustível, pois o açúcar fornece aos homens cerca de 13% da energia necessária para a existência. É difícil determinar quando o açúcar se tornou conhecido da humanidade, mas, possivelmente, passou da Nova Guiné para Índia, muitos séculos antes de Cristo. Os métodos de extração e de purificação do açúcar da cana foram muito lentamente desenvolvidos; existem registros de métodos grosseiros que foram trazidos do Oriente para a Europa, por volta de 1400. O comércio de açúcar entre Ásia e a Europa era um dos mais importantes nos séculos passados. (NORRIS, 1980) Cristóvão Colombo, genro de um grande produtor de açúcar na Ilha Madeira, introduziu o plantio da cana na América, em sua segunda viagem ao continente, em 1493, onde hoje é a República Dominicana. Oficialmente, Martim Affonso de Souza que em 1532 trouxe a primeira muda de cana ao Brasil e iniciou seu cultivo na capitania de São Vicente. Lá, ele próprio construiu o primeiro engenho de açúcar. Mas foi no Nordeste, principalmente nas Capitanias de Pernambuco e Bahia, que os engenhos de açúcar se multiplicaram. No período do Brasil Império de (1500-1822) a renda obtida pelo comércio do açúcar atingiu quase duas vezes à do ouro e quase cinco vezes à de todos os outros produtos agrícolas juntos, tais como café, algodão, madeiras, etc. D. Pedro II era um entusiasta das novas tecnologias e em 1857 foi elaborado um programa de modernização da produção de açúcar. Assim surgiram os Engenhos Centrais, que deveriam somente moer a cana e processar o açúcar, ficando o cultivo por conta dos fornecedores. Nessa época, Cuba liderava a produção mundial de açúcar de cana com 25% do total e o açúcar de beterraba produzido no Europa e EUA significavam 36% da produção mundial. O Brasil contribuía com apenas 5% de um total de 2.640.000 toneladas em 1874. Apesar das dificuldades, da globalização, da rápida mudança de paradigmas a que está submetida, a indústria açucareira brasileira continua em expansão. Sua produção no final do
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milênio chegou a 300.000.000 de toneladas de cana moída/ano em pouco mais de 300 unidades produtoras. O processo de fabricação de açúcar e álcool visa, sinteticamente, à extração do caldo contido na cana, seu preparo e “concentração”, culminando nos vários tipos de açúcares
conhecidos, como: demerara, mascavo, cristal, refinado, líquido, VHP, etc. O mesmo caldo, preparado de forma específica, resulta, através da fermentação microbiológica, com posterior destilação, no álcool etílico, fornecido nas opções: anidro ou hidratado. (BAYAMA, 1974) Dentro desse processo de fabricação, podemos classificar uma usina de açúcar como uma indústria de extração, uma vez que o açúcar já é produzido pela natureza, através da cana, sendo ele somente concentrado no processo, nas suas várias modalidades. Já a indústria do álcool, pelo processo que passa, pode classificá-la como uma indústria de transformação, cabendo esse papel à fermentação biológica alcoólica (BAYAMA, 1974). Neste trabalho daremos Ênfase ao processo de extração da sacarose da cana de açúcar para obtenção de açúcar cristal como produto final. O objetivo principal do decorrente trabalho é focar cada etapa do processo, descrevendo suas operações unitária, relevando seus objetivos e importâncias durante a transformação da matéria prima em produto final, haja vista que o processo de fabricação de açúcar é rico em operações unitárias, o que levará a importância do conhecimento específico que um engenheiro químico deve adquirir, para que ao fim deste, fique claro onde cabe sua atuação.
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2. PROPRIEDADES E USOS DO AÇÚCAR
O açúcar cristal é um produto de grande versatilidade, podendo ser utilizado em várias aplicações, desde domésticas até processos industriais. Podem-se destacar entre os diversos usos: confecção de alimentos em geral, indústrias de refrigerantes, sucos; bebidas adoçadas, processo cervejeiro, panificação e indústrias alimentícias. Os usos não alimentares do açúcar são muito poucos e constituem apenas uma pequena parcela da produção total. Incluem o uso do açúcar como octoacetato de sacarose, desnaturante do etanol; como diacetato hexaisobutirato de sacarose e octobenzoato de sacarose, plastificantes; com ésteres de ácidos, mono e dicarboxilicos, para surfactantes, alilsacarose; e como matéria-prima para fabricação do glicerol e do manitol. O Dextran, um polissacarídeo produzido a partir da sacarose por certas bactérias, é um expansor muito eficiente do volume do plasma sanguíneo. Administrado por infusão intravenosa alivia o choque e impede a perda de fluidos do corpo, depois de queimaduras extensas e outros ferimentos. (NORRIS, 1980)
2.1. Propriedades
Suas principais características são:
Contribuição como corpo, volume e viscosidade para várias bebidas e alimentos doces.
Modificação dos pontos de ebulição e de congelamento de misturas.
Em processos com aquecimentos, caramelização, produzindo coloração e aroma únicos.
Em alta concentração, conservante natural contra microrganismos, devido ao efeito osmótico.
Em baixas concentrações, realce do sabor de frutas e alimentos cítricos.
Possui propriedades umectantes (retenção de água).
É um importante componente fermentável em pães e cervejas.
Pode ser utilizado como antioxidante em alimentos.
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Serve como anticoagulante retardando a coagulação de proteínas para confecção de pudins assados.
Maior homogeneidade nas misturas sólidas.
Valor energético: 4 kcal / g Nenhum outro produto orgânico Cristalino de pureza comparável (99,96% em base anidra) é oferecido no mercado a um preço tão baixo quanto o açúcar e numa quantidade tão grande. Esta circunstancia é apenas o reflexo do progresso e do aperfeiçoamento dos métodos de refinação provocados pela engenharia química aplicada à indústria. (NORRIS, 1980)
3. CANA DE AÇÚCAR 3.1. Clima e Solo
A cana-de-açúcar é cultivada numa extensa área territorial, compreendida entre os paralelos 35º de latitude Norte e Sul do Equador, apresentando melhor comportamento nas regiões quentes. O clima ideal é aquele que apresenta duas estações distintas, uma quente e úmida, para proporcionar a germinação, perfilhamento e desenvolvimento vegetativo, seguido de outra fria e seca, para promover a maturação e consequente acumulo de sacarose nos colmos. Solos profundos, pesados, bem estruturados, férteis e com boa capacidade de retenção são os ideais para a cana-de-açúcar que, devido à sua rusticidade, se desenvolve satisfatoriamente em solos arenosos e menos férteis, como os de cerrado. Solos rasos, isto é, com camada impermeáveis superficiais ou mal drenados, não devem ser indicados para a cana-de-açúcar. Para trabalhar com segurança em culturas semi-mecanizadas, que constituem a maioria das nossas explorações, a declividade máxima deverá estar em torno de 12%, declividade acima desse limite apresentam restrições às práticas mecânicas. Para culturas mecanizadas, com adoção de colheitadeiras automotrizes, o limite máximo de declividade cai para 8 a 10%.
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3.2. Plantio
Existem duas épocas de plantio para a região Centro-Sul: setembro-outubro e janeiro a março. Setembro-outubro não é a época mais recomendada, sendo indicada em casos de necessidade urgente de matéria prima, quer por recente instalação ou ampliação do setor industrial, quer por comprometimento de safra devido à ocorrência de adversidade climática. Plantios efetuados nessa época propiciam menor produtividade agrícola e expõem a lavoura à maior incidência de ervas daninhas pragas, assoreamento dos sulcos e retardam a próxima colheita. O plantio da cana de "ano e meio" é feito de janeiro a março, sendo o mais recomendado tecnicamente. Além de não apresentar os inconvenientes da outra época, permite um melhor aproveitamento do terreno com plantio de outras culturas. Em regiões quentes, como o oeste do Estado de São Paulo, essa época pode ser estendida para os meses subsequentes, desde que haja umidade suficiente. O espaçamento entre os sulcos de plantio é de 1,40 m, sua profundidade de 20 a 25 cm e a largura é proporcionada pela abertura das asas do sulcador num ângulo de 45º, com pequenas variações para mais ou para menos, dependendo da textura do solo. Os colmos com idade de 10 a 12 meses são colocados no fundo do sulco, sempre cruzando a ponta do colmo anterior com o pé do seguinte e picado, com podão, em toletes de aproximadamente de três gemas. A densidade do plantio é em torno de 12 gemas por metro linear de sulco, que, dependendo da variedade e do seu desenvolvimento vegetativo, corresponde a um gasto de 710 toneladas por hectare. Os toletes são cobertos com uma camada de terra de 7 cm, devendo ser ligeiramente compactada. Dependendo do tipo de solo e das condições climáticas reinantes, pode haver uma variação na espessura dessa camada.
3.3. Maturadores Químicos
São produtos químicos que tem a propriedade de paralisar o desenvolvimento da cana induzindo a translocação e o armazenamento dos açúcares. Vêm sendo utilizados como um
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instrumento auxiliar no planejamento da colheita e no manejo varietal. Muitos compostos apresentam, ainda, ação dessecante, favorecendo a queima e diminuindo, portanto, as impurezas vegetais. Há uma ação inibidora do florescimento, em alguns casos, viabilizando a utilização de variedades com este comportamento. Dentre os produtos comerciais utilizados como Maturadores, podemos citar: Ethepon, Polaris, Paraquat, Diquat, Glifosato e Moddus. Estudos sobre a época de aplicação e dosagens vêm sendo conduzidos com o objetivo de aperfeiçoar a metodologia de manejo desses produtos, que podem representar acréscimos superiores a 10% no teor de sacarose.
3.4. Determinação do Estágio de Maturação
O ponto de maturação pode ser determinado pelo refratômetro de campo e complementado pela análise de laboratório. Com a adoção do sistema de pagamento pelo teor de sacarose, há necessidade de o produtor conciliar alta produtividade agrícola com elevado teor de sacarose na época da colheita. O refratômetro fornece diretamente a porcentagem de sólidos solúveis do caldo (°Brix). O °Brix esta estreitamente correlacionado ao teor de sacarose da cana. A maturação ocorre da base para o ápice do colmo. A cana imatura apresenta valores bastante distintos nesses seguimentos, os quais vão se aproximando no processo de maturação. Assim, o critério mais racional de estimar a maturação pelo refratômetro de campo é pelo índice de maturação (IM), que fornece o quociente da relação.
IM=°Brix da ponta do colmo °Brix da base do colmo
3.5. Colheita
A colheita inicia-se em maio e em algumas unidades sucroalcooleiras em abril, prolongando-se até novembro, período em que a planta atinge o ponto de maturação, devendo, sempre que possível, antecipar o fim da safra, por ser um período bastante chuvoso, que dificulta o transporte de matéria prima e faz cair o rendimento industrial.
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4. DIAGRAMA DE BLOCO DO PROCESSO
Figura 1: Diagrama de Bloco do Processo de Fabricação do Açúcar
5. REAÇÕES QUÍMICAS ENVOLVIDAS NO PROCESSO 5.1. Processo de Sulfitação
O gás SO₂ é obtido pela queima de enxofre que reage com o oxigênio, como mostra a reação exotérmica: S
+
O2
→
SO2.
(I)
5.2. Preparo do Leite de Cal
A cal utilizada no processo de clarificação do caldo de cana é obtida pela dissociação do carbonato de cálcio, gerando CaO e CO2. O CaO reage com H2O para formar a cal hidratada através de uma reação exotérmica, conforme segue:
CaCo3 → CaO +
CaO + H2O
→
CO2 Ca (OH)2
(II) (III)
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5.3. Calagem
A calagem é a reação com o sulfito e com o ácido fosfórico (H3PO4), formando sulfito e fosfato de cálcio, que são insolúveis em pH neutro e se precipitam na decantação.
SO₂ 3Ca(OH)2
+
Ca (OH)₂ +
2H3PO4
CaSO₃
→ →
+
Ca3(PO4)2
H₂O; +
(IV)
6H2O (V)
6. OPERAÇÕES UNITÁRIAS ENVOLVIDAS NO PROCESSO
Lavagem – Limpeza da cana
Moagem – Extração do Caldo-de-cana
Combustão – Geração de Vapor para alimentar a usina a partir do bagaço da cana
Clarificação – Uso de cal e enxofre para clarificar o caldo
Troca térmica – Aquecimento do caldo
Flasheamento – Retirada de gases indesejados do caldo e material coloidal
Decantação – retirada das impurezas a partir de floculação e sedimentação
Filtração – Tratamento do lodo que vem da decantação para extrair o açúcar residual.
Evaporação – Concentração do caldo transformando-o em xarope
Cozimento – Concentração do xarope transformando-o em massa cozida
Cristalização – Resfriamento da massa cozida para recuperar parte da sacarose dissolvida no mel
Centrifugação – Separação dos cristais do mel
Secagem – Retirada de umidade e resfriamento do açúcar.
7. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO AÇUCAR
O início do processo industrial da cana de açúcar se dá a partir do momento em que a cana chega á usina, a partir de agora será descrito todo o processo de fabricação detalhadamente.
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7.1. Transporte da cana á usina
Para boa execução das operações é necessário o desenvolvimento de um trabalho em conjunto entre a lavoura e a indústria, de forma bem programada nas etapas de corte, escolha de variedades adequadas com maiores teores de sacarose, e o processamento imediato, para evitar deterioração e perdas de açúcar. (DELGADO & CESAR, 1997 e COPERSUCAR, 1988). O transporte da cana do campo à usina é feito por caminhões que carregam a cana inteira (colheita manual) ou cana picada em toletes de 20 a 25 cm (colheita mecânica). Nas usinas, as mesas alimentadoras, recebem a cana do estoque ou diretamente dos caminhões, que são transferidas para as esteiras chegando até as moendas.
7.2. Mesas alimentadora e moendas
Nas mesas alimentadoras é feita a lavagem da cana inteira para eliminar matérias estranhas e abrasivas como terra e areia, visando à obtenção de um caldo de melhor qualidade e aumento da vida útil dos equipamentos, pela redução do seu desgaste.(VER ANEXO – FIGURA 1). A cana é picada e esmagada em moendas na preparação para a remoção do caldo, a fim de que seja aumentada sua densidade e, consequentemente, a capacidade de moagem, bem como realizar o máximo rompimento das células para liberação mais fácil do caldo nela contido, obtendo-se assim uma maior extração. O preparo é feito por facas e desintegrador. Após o preparo, é feita a moagem da cana com o objetivo de se extrair a maior parte do caldo, pois é nele que se encontra o açúcar. A sacarose apresenta-se basicamente como principal componente da cana-de-açúcar. O caldo é extraído pela passagem da cana esmagada através de uma serie de moendas, (FIGURA 2) cada qual constituídas por três rolos canelados, que exercem uma forte pressão. Para macerar a cana e auxiliar a extração, é possível adicionar água ou caldo diluído às moendas. Extraem-se cerca de 93% do caldo da cana.
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Figura 2: Série de moendas
No Primeiro terno de moagem (a moenda apresenta geralmente entre 5 a 7 ternos de moagem) ocorre a maior parte da extração; o caldo primário apresenta de 18 a 22 °Brix. A cana tem aproximadamente sete partes de caldo para cada parte de fibra; após a extração no primeiro terno esta proporção cai para 2 a 2,5 vezes, havendo necessidade de utilizar a embebição com agua nas próximas unidades para diluir o caldo remanescente no bagaço possibilitando assim a extração da sacarose (COPERSUCAR, 1988). Devido à água de embebição o caldo misto apresenta de 14 a 16 °Brix, é opaco, com cor amarelo-pardacenta para esverdeada. A opacidade é devido à colóides, proteínas, pentosanas, pectina e compostos inorgânicos como a sílica. A cor do caldo também varia com a variedade de cana e energia de esmagamento. A reação do caldo é acida, de pH 5 a 6, e este diminui nas canas queimadas, doentes, praguejadas, cortadas a mais de 24 horas, verdes e passadas (LEME Jr. & BORGES, 1965) Este caldo é um sistema coloidal muito complexo e de composição variável, no qual o meio de dispersão é a água. Neste sistema, alguns constituintes como os açúcares, estão em dispersão molecular de difícil separação; outros como os ácidos orgânicos e os sais minerais estão dissociados; outros ainda, estão em estado de dispersão coloidal, como matérias corantes, substancias cromogêneas, sílica e partículas de cera. Encontram-se ainda em suspensão, partículas de bagaço, ar e outras impurezas. (LEME Jr. & BORGES, 1965 e DELGADO & CESAR, 1977).
7.3. Bagaço
O bagaço será dirigido às esteiras ou diretamente direcionado às caldeiras, onde será queimado e seu vapor transformado em energia, no processo que se conhece por cogeração de energia ou bioeletricidade.
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As usinas brasileiras são autossuficientes em energia durante o período da safra e ainda exportam excedentes para as redes de distribuição, vendendo assim, créditos de carbono em conformidade com o Protocolo de Kyoto. Cada tonelada de cana processada gera 260 kg de bagaço, em média. A energia cogerida pode acionar as moendas nos processos elétricos ou vapor utilizado para o acionamento, que transforma energia térmica em mecânica.
7.4. Purificação
Extraído o caldo da cana, o próximo passo será o tratamento desse caldo, objetivando a retirada de impurezas solúveis e insolúveis nele encontradas. O tratamento pode ocorrer em várias fases, desde a passagem do caldo por peneiras, força centrífuga – para separar materiais sólidos do líquido -, pesagem do caldo, permitindo melhor controle químico do processo e tratamento químico do caldo. Atualmente, os processos básicos de purificação estão baseados no peneiramento inicial do caldo misto e numa clarificação posterior utilizando-se de reagentes químicos e do efeito da temperatura. No peneiramento, eliminam-se as impurezas grosseiras em suspensão (areia, argila, bagacilho, etc.) que se apresentam na proporção de 0,1 a 1,0 %. Este tratamento aumenta a eficiência e a vida útil dos equipamentos, contribuindo para obtenção de produtos finais de melhor qualidade. Para esta operação, além das peneiras, são usados equipamentos como separadores de areia, “cush -cush” ou hidrociclones. (COPERSUCAR, 1988).
Eliminadas as impurezas em suspensão, restam ainda no caldo as impurezas solúveis e, para isto, é feita a clarificação, o tratamento químico. Esse tratamento tem por objetivo a obtenção de um caldo claro e límpido, mediante a coagulação, floculação e precipitação máxima dos colóides formados, que são eliminados por sedimentação e filtração (MEADE, 1967 e COPERSUCAR, 1988). Existem cinco métodos utilizados no processo de clarificação do caldo de cana que possuem destaque: 1.
Caleação, calagem ou defecação: uso de cal virgem (CaO);
2.
Sulfitação: uso de anidrido sulfuroso (SO ₂)
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3.
Fosfatação: uso de ácido fosfórico (P ₂O₅)
4.
Carbonatação: uso do anidrido carbônico (CO ₂)
5.
Uso do óxido de magnésio.
No Brasil, predominam basicamente os dois primeiros modelos de clarificação. 7.4.1. Sulfitação
A sulfitação consiste em promover o contato do caldo com o gás sulfuroso (SO ₂) para sua absorção, o que implica em:
Redução do pH: auxilia a precipitação e remoção de proteínas do caldo;
Diminuição da viscosidade do caldo: consequentemente do xarope, massas cozidas e méis, facilitando a cristalização da sacarose nos cozimentos;
Formação de complexos com açúcares redutores: Impede a sua decomposição e controla a formação de compostos coloridos em alcalinidade alta;
Preservação do caldo: contra alguns micro-organismos;
Prevenção do amarelamento do açúcar (cristal branco): por algum tempo, durante o armazenamento;
O caldo decanta-se mais rapidamente e ocorre melhor eliminação de fosfatos e ceras, permitindo uma filtração melhor;
Eliminar materiais corantes do caldo, possibilitando a fabricação do açúcar branco;
Transformar em compostos ferrosos incolores os sais de ferro presentes no caldo devido a desgastes de moendas e tubulações;
O SO₂ é um redutor energético e atua sobre as substâncias corantes de caldo, reduzindo sua cor. A principal reação química ocorre com o hidróxido de cálcio usado na calagem na
etapa seguinte, produzindo um precipitado de sulfito de cálcio que, ao ser eliminado na decantação, permite a obtenção de um caldo límpido e claro. O efeito mais importante da sulfitação, quando da clarificação do caldo de cana é sua ação inibidora de formação de cor, proveniente da reação entre açúcares redutores e aminoácidos (reação de Maillard).
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A sulfitação é o primeiro tratamento químico que o caldo recebe na usina, e consiste na passagem do gás anidrido sulfuroso (SO ₂) ao caldo aquecido. O caldo passa em contato direto com o SO₂, ambos escoando em contra corrente, em colunas de absorção de gases, contendo bandejas perfuradas (pratos), as quais aumentam o contato gás- líquido. O SO ₂ age de forma complexa ao reagir com o caldo, formando um sal pouco solúvel que será removido na seção da decantação, auxiliando na clarificação do caldo. Além disso, o SO ₂ ajuda a converter compostos coloridos em incolores, impedindo o desenvolvimento de cor pela oxidação e inibindo o desenvolvimento de cor pela reação de escurecimento entre açucares redutores e aminoácidos. O gás SO₂ é obtido pela queima de enxofre que reage com o oxigênio, como mostra a reação exotérmica:
S + O2→ SO2.
Infelizmente, nem todo o enxofre queimado se transforma em SO ₂, pois nem sempre se consegue parar a reação, podendo formar SO ₃, devido à alta temperatura que pode ser atingida pela liberação da reação de formação de SO₂. O caldo é enviado a um pré-aquecimento em trocador de calor tipo placa ou casco tubo, onde é aquecido pela troca de calor com um fluido quente (que em muitos casos é vinhaça) até a temperatura desejada. A seguir o caldo é introduzido na parte superior de uma coluna de sulfitação e os gases pela parte inferior, ocorrendo assim, a absorção do SO2 pelo caldo. Alguns técnicos afirmam que se pode sulfitar antes ou após a calagem, que o que realmente importa é chegar ao mesmo pH final do caldo decantado. Mas no geral, principalmente no Brasil, o processo preferido é a sulfodefecação, ou seja, primeiro faz- se a sulfitação. Se a calagem é feita primeiro, o caldo fica exposto mais tempo a pH alcalino, favorecendo a formação de gomas, como a dextrana, inconveniente por levar a entupimentos de canalizações e interferir na cristalização do açúcar. Além do mais, a rapidez da decantação
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e o volume do lodo dependem do pH do meio (reação do meio) no qual se forma o precipitado. O lodo sendo formado num meio alcalino será hidratado, portanto forma um maior volume de lodo que será enviado para a filtração. O lodo formado em meio ácido é mais compacto e apresenta maior velocidade de decantação. Na prática admite-se:
Calagem antes da sulfitação: decantação mais lenta, maior volume de lodo, necessita maior capacidade de filtração;
Sulfitação antes da calagem: melhor para canas não maduras, decantação mais rápida, menor volume de lodo, necessita menor capacidade de filtração.
A sulfodefecação para uma boa coagulação das impurezas deve ser conduzida:
pH de 3,8 a 4,0 numa temperatura de 30 a 40°C;
pH de 5,1 a 5,3 numa temperatura de 70 a 75°C. Numa temperatura mais baixa a absorção do SO ₂ no caldo é maior. Na reação química
entre o Ca(OH)₂ e o SO ₂ forma-se Caso₃. Uma sulfitação exagerada conduz à formação de Ca(HSO₃)₂ que é muito mais solúvel em água que o sulfito. A formação do bissulfito é inconveniente, pois durante o aquecimento e evaporação do caldo o bissulfito é transformado em sulfito de cálcio insolúvel, que se deposita nos equipamentos. Incrustações nos evaporadores implicam em gastos com limpeza química e mecânica, além de maior gasto de vapor. Além disso, implica em açúcar com maior teor de cinzas (minerais).
7.4.2. Calagem
Normalmente o pH do caldo de cana varia entre 4,8 - 5,5, sendo que as canas maduras apresentam um pH mais elevado, e nas canas passadas e queimadas, este valor tende a um limite mais baixo.
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Esta acidez pode ser alterada para menos, mediante a adição de álcalis, assim como o leite de cal Ca (OH)₂ , o qual constitui a base fundamental de todos os processos de clarificação do caldo de cana, por formar compostos insolúveis no mesmo, sendo estes, de fácil remoção por decantação e filtração. O objetivo da calagem é a reação com o sulfito e com o ácido fosfórico (P ₂O₅), formando sulfito e fosfato de cálcio, que são insolúveis em pH neutro e se precipitam na decantação. O pH do caldo atinge a faixa de 7,2 a 7,8.
Ca (OH)₂
2HSO₃
+
Ca⁺²
→
→
Ca (HSO₃)₂ +
Ca (OH)₂
3Ca(OH)2
2H3PO4
+
Ca²⁺
+
Ca (HSO₃)₂
→
→
2 OH⁻;
(bissulfito de cálcio – solúvel)
2CaSO₃
+
2 H₂O;
Ca3(PO4)2
+
6H2O
Pela adição de leite de cal, além da formação de compostos insolúveis, verifica-se a coagulação de grande quantidade de colóides, e ainda uma elevação na concentração hidroxiniônica do caldo, pois se trabalhando com este pH próximo a neutralização, evita-se os produtos escuros resultantes da decomposição de açúcares redutores. Sob a ação do hidróxido de cálcio, quando este é aplicado em excesso, ocorre a inversão da sacarose, com consequente diminuição do rendimento da indústria, causado pela alta alcalinidade do caldo em processamento. A adição ou dosagem de leite de cal ao caldo proveniente da sulfitação é feita de maneira contínua com controle automático nos tanques dosadores. Os ácidos orgânicos são eliminados, as matérias albuminoides são coaguladas, uma parte das matérias corantes torna-se insolúvel. Com a calagem ocorre pequeno aumento da pureza dos caldos (0,5 a 2,0 pontos). A purificação é física, formando um precipitado que engloba as impurezas físicas e as arrasta consigo. Assim, o objetivo da calagem é a reação com o sulfito e com o ácido
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fosfórico, formando sulfito e fosfato de cálcio, que são insolúveis em pH neutro e se precipitam na decantação.
7.4.2.1.
Preparo do leite de cal
O leite de cal é preparado em dois tanques, dos quais um se esvazia, enquanto o outro enche, dotados de agitador, girando a 8 – 10 RPM. A capacidade de cada tanque é de 90 – 120 minutos de operação da usina. A cal utilizada no processo de clarificação do caldo de cana é obtida pela dissociação do carbonato de cálcio, gerando CaO e CO2. O CaO reage com H2O para formar a cal hidratada através de uma reação exotérmica, conforme segue:
CaO
+
H2O
→
Ca (OH)2
+
calor
Normalmente para tal preparação existem duas caixas sendo a primeira com entrada de água pela parte superior. Na primeira caixa é adicionado CaO e água, e com auxílio de um agitador mecânico, faz com que em solução fique pré-homogenizada, em seguida a solução é transferida para a segunda caixa, obtendo uma solução na faixa de 4,0 a 7,0º Baumé. A água a ser utilizada no preparo do leite de cal não deve ser dura, sendo recomendado o uso de águas condensadas. O tempo de hidratação e maturação da cal é da ordem de 7,7 horas. Esta solução é agitada é bombeada para o processo sendo que o excesso retorna para as caixas de preparação. A acidez ou a alcalinidade final do caldo clarificado entrando na evaporação não é indiferente. Na obtenção de açúcar branco é necessário um caldo caleado ligeiramente ácido. Para açúcar demerara pode-se deixar o caldo levemente alcalino. O pH alcalino implica em aumento de tempo de cozimento, dificultando a cristalização. O tempo de cozimento é cerca de 20% maior para um pH 7,5 do que para pH 7,0.
23
7.5. Aquecimento do caldo
Conforme foi citado anteriormente o caldo após o tratamento químico é aquecimento. Este aquecimento é realizado em trocadores de calor, constituídos por feixes tubulares por onde o caldo passa. O aquecimento do caldo apresenta os seguintes objetivos:
Acelerar as reações químicas que levam à formação de compostos insolúveis;
Promover a coagulação das proteínas e a floculação máxima possível dos colóides do caldo;
Reduzir a solubilidade dos sais de cálcio e a viscosidade do meio e acelerar o processo de decantação e clarificação do caldo;
Saturar os sais formados nas reações químicas;
Controle microbiológico (consequência);
Diminuir a densidade e viscosidade;
Provocar a floculação. O aquecimento é feito em trocador de calor, geralmente do tipo casco e tubos, do tipo
vertical / horizontal ou trocadores de placas. O aquecedor (normalmente trocador tipo casco tubo) é formado por uma calandra tubular: o caldo circula por dentro dos tubos e o vapor em volta dos tubos. Os aquecedores (trocadores de calor) podem ser de simples ou de múltiplos passes. A temperatura do caldo deve ser elevada acima do ponto de ebulição na pressão atmosférica, podendo chegar a 110°C na entrada do decantador, sendo a temperatura de aquecimento mais usada 105ºC e a velocidade de circulação do caldo considerada ótima se situa na faixa de 1,5 a 2,0 m/s. Esse aquecimento é feito pelo vapor vegetal gerado nos evaporadores.
7.6. Balão de Flash
É um simples recipiente cilíndrico, colocado imediatamente antes e acima do decantador, com uma chaminé aberta para a atmosfera e ao qual o caldo vindo dos
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aquecedores, chega tangencialmente. Como o caldo está a 105°C, há uma evaporação espontânea, assim que chega a este recipiente, à pressão atmosférica. Este fenômeno libera todas as partículas em suspensão das bolhas de ar que ali estão agregadas e que impediriam a deposição das partículas de bagaço (bagacilho) durante a clarificação, se não fossem retiradas. Portanto, por meio da ebulição espontânea, há a eliminação do ar dissolvido no caldo que dificulta a decantação das impurezas mais leves (bagacilho). O único parâmetro a ser controlado é a temperatura do caldo, a 105ºC, ou seja, acima do ponto de ebulição para haver o flasheamento.
7.7. Decantação
Após o tratamento químico e térmico o caldo é enviado ao decantador, para que haja remoção das impurezas por floculação e posterior sedimentação. Este processo é feito de forma contínua em um equipamento denominado clarificador ou decantador. O caldo clarificado é retirado da parte superior das bandejas e é enviado para a evaporação e consequente concentração do caldo. As impurezas sedimentadas têm aproximadamente 10 E é e constituem o lodo, que depois são enviadas para a filtração para recuperação do açúcar residual. O caldo permanece no decantador de 15 minutos a 4 horas, dependendo do equipamento usado, e o volume de lodo retirado representa 15 a 20 % do peso do caldo que entra no decantador (DELGADO & CESAR, 1977 e COPERSUCAR, 1988). A decantação é a mais importante etapa do processo de clarificação. Basicamente, pode-se dizer que um açúcar de boa cor e poucas impurezas depende da qualidade da decantação. Os clarificadores ou decantadores podem ser do tipo convencional ou rápido. A decantação é um processo contínuo, que leva aproximadamente três horas no decantador convencional, e uma hora no decantador rápido. É usual a aplicação de floculantes na entrada do decantador, visando agrupar os flocos formados nas reações químicas, deixando-os mais pesados para que decantem mais rapidamente. Os floculantes são polímeros, que podem ser tanto catiônicos quanto aniônicos. Eles recebem a denominação de polieletrólitos e são poliacrilamidas parcialmente hidrolisadas.
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Melhora a floculação, a decantação torna-se mais rápida e o volume de lodo torna-se menor e não modificam o pH. A dosagem dos floculantes é da ordem de 1 a 3 g/TC, usados em solução numa concentração de 0,01 a 0,05%. A capacidade de um clarificador é determinada pelo tempo de retenção necessário para permitir a sedimentação do lodo. A área disponível para a sedimentação constitui o maior fator para garantir a eficiência. Quanto maior a área por unidade de volume, mais rápida a decantação e menor o volume de lodo obtido. Os principais parâmetros da sedimentação são:
pH do caldo clarificado: 6,8 a 7,0;
Transmitância: > 6 0% ;
Concentração do lodo: 45 a 55% de impurezas;
Teor de P2O5 < 30 ppm;
Tempo de retenção: 30 min a 3 horas;
Flocos pequenos: falta de polímero;
Caldo turvo: pH baixo ou falta de sulfito;
Impurezas flotando: temperatura baixa;
Caldo com cor amarelo forte: pH alto.
O decantador separa o lodo do caldo alimentado, que resulta em um caldo mais puro e límpido, e a esse caldo se dá o nome de caldo clarificado. O lodo retirado do decantador possui uma grande quantidade de sacarose. Inicialmente esta operação era realizada de forma intermitente em caixas individuais, como hoje é feito em pequenos engenhos de açúcar mascavo. As usinas atualmente utilizam processos contínuos nessa operação.
7.7.1. Tipo de decantadores
7.7.1.1.
Decantador Rápido (sem bandeja)
Equipamento onde o caldo é alimentado através de um anel concêntrico, sendo o caldo claro retirado por calhas e o lodo retirado pelo fundo com auxílio de pás raspadoras. (FIGURA 3)
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Figura 3: Decantador rápido (sem bandeja). Fonte: COPERSUCAR, 1995. Tabela 1: Vantagens e Desvantagens do Decantador Rápido Vantagens
Baixo tempo de retenção (1 hora).
Desvantagem
Bastante sensível às variações de fluxo, sendo obrigatória à automação.
Baixas perdas por inversão.
Apresenta um alto consumo de polímeros (4 g/ m3 de caldo).
Menor volume e um menor tempo de
Produz
um
lodo
menos
concentrado
liquidação.
aumentando a recirculação de filtrado e consequentemente as perdas.
Menor custo de implantação
Não decanta bem caldos com °Brix elevado (maior que 18%)
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7.7.1.2.
Decantador Convencional
O decantador mais utilizado nas usinas de açúcar é do tipo Dorr (Dorr Oliver). É constituído de um cilindro de fundo e tampa cônicos. Internamente é composto por seções ou compartimentos (em torno de 5), separadas por bandejas cônicas paralelas ao fundo, as quais possuem uma abertura central que faz a comunicação entre os compartimentos, constituindo o espaço por onde saem às borras. Este canal é atravessado por um eixo que sustenta suportes para os raspadores em número de quatro. O eixo central é acionado por motor elétrico, e movimenta a uma rotação entre 10 e 12 rph. O caldo é alimentado pela parte central descendo pelo tubo central onde é distribuído para as bandejas. O caldo claro é retirado por serpentina externa e sua vazão é controlada através de canecas. O lodo é retirado por raspadores e direcionado para o fundo. Visando assegurar uma menor quantidade de bagacilho ou resíduos sólidos no açúcar e no mosto, o caldo clarificado passa por uma filtração adicional. Essa filtração pode acontecer tanto na peneira rotativa que se encontra após os decantadores quanto nas peneiras abertas. (FIGURA 4).
Figura 4: Decantador Convencional. Fonte: COPERS UCAR, 1995.
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Tabela 2: Vantagens e desvantagens do decantador convencional.
Vantagens Alta estabilidade a qualquer variação de
Desvantagens Maior tempo de retenção (2,5horas).
fluxo. Apresenta lodo mais concentrado e menir
Maior queda de pH.
recirculação de caldo filtrado. Baixo consumo de polímeros.
Volume inoperante na parte superior, acima da primeira bandeja, onde podem ocorrer pontos mortos aumentando o nível de infecção.
Decantação normal mesmo com °Brix
O caldo das bandejas inferiores recebe o
elevado (>18°Brix).
lodo das bandejas superiores.
Alta estabilidade a qualquer variação de
Alto custo de implantação.
fluxo.
7.8. Filtração
O objetivo da filtração é recuperar açúcar do lodo, retornando-o ao processo na forma de caldo filtrado. O lodo removido dos decantadores possui uma considerável quantidade de açúcar que, portanto, deve ser aproveitado. Após sair do decantador o lodo recebe uma pequena quantidade de polímero, que ajudará na separação das impurezas, e recebe também uma adição de bagacilho, que aumentará o rendimento dessa extração. O caldo clarificado é enviado à fabricação, ou seja, mais frequentemente, diretamente à evaporação. O lodo deve ser primeiramente filtrado, para separar do caldo o precipitado contido, juntamente com os sais insolúveis formados e o bagacilho arrastado. Existem certas condições necessárias para se obtiver uma boa filtração. A filtração é uma operação difícil de ser regulada e que exige cuidados. Para reunir as melhores condições à sua realização, é preciso observar vários pontos:
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Temperatura: A viscosidade dos caldos, sobretudo, das gomas e das ceras que decantam na superfície filtrante deve diminui com o aumento da temperatura. É, portanto, conveniente filtrar o caldo a alta temperatura. Trabalhe-se, preferivelmente, acima de 80°C.
Reação: Os caldos alcalinos são mais facilmente filtrados que os caldos ácidos ou neutros. Geralmente acrescentava-se cal ao lodo, antes de filtrá-lo, deixando-o com um pH de 8 a 8,5. Isto era necessário com filtros-prensa, porém não com os filtros rotativos a vácuo. Na fabricação do açúcar, utilizam-se normalmente Filtros-Prensa e Filtros Rotativos a vácuo. 7.8.1. Tipos de Filtro
7.8.1.1.
Filtro de Prensa
Equipamento pouco usado hoje em dia na filtração do lodo, em função da grande mão de obra exigida e de sua capacidade relativamente baixa. A figura a seguir apresenta o esquema de funcionamento de um filtro prensa. O tempo de ciclo é aproximadamente:
Descarga e Montagem:¾ h ;
Filtração:1 ¾ h ;
Lavagem: ½ h ;
Total do Ciclo: 3 h
7.8.1.2.
Filtro Rotativo
O filtro rotativo a vácuo, (FIGURA 5) é composto de um tambor perfurado que gira em volta de um eixo horizontal e parcialmente submerso no líquido a ser filtrado. A periferia do tambor constitui a superfície filtrante, sendo esta dividida em 24 seções independentes, cada uma das quais ocupando 15° da circunferência e estendendo-se por todo o comprimento do tambor. Cada uma destas seções é ligada individualmente a uma tubulação de vácuo. O tambor gira a uma rotação que varia de 0,1 a 0,5 rpm.
30
As fases de cada ciclo de filtração são as seguintes: formação e crescimento da torta, filtração, lavagem, secagem, quebra vácuo e descarga da torta. Na suspensão de lodo a ser filtrada há adição de bagacilho, na proporção de 6 a 15 kg por tonelada de cana para formação da torta na superfície do filtro. No filtro rotativo existe a região de baixo e de alto vácuo. O baixo vácuo (7 – 10 polegadas de Hg) evita a compactação da torta de sólidos e bagacilho, o que ocasionaria bloqueio da passagem de líquido. A formação de camada de torta porosa propiciará boas condições de lavagem de a torta a seguir. A seção submersa do filtro no tanque emerge do mesmo com a camada de torta formada, há uma transição para o alto vácuo, 20 – 22 polegadas de Hg. Inicia-se uma sucção mais forte. Ao ultrapassar a linha de centro horizontal do tambor, começa a fase de lavagem da torta com bicos pulverizadores com água aquecida, extraindo o açúcar, fase conhecida como embebição. A fase de secagem da torta sob a ação do alto vácuo vai até a metade de uma câmara, antes da borda superior da raspadeira. A capacidade e a eficiência da filtração estão ligadas à velocidade periférica do tambor. Quanto mais lenta for esta rotação, melhor serão a lavagem e secagem da torta, com consequente redução da capacidade de extração do lodo dos decantadores.(VER ANEXO – FIGURA 2).
Figura 5- Sistema de Vácuo. Fonte: COPERSUCAR, 1995.
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7.8.1.3.
Prensa Desaguadora
Este é um tipo de filtro que vem substituindo com vantagens os filtros rotativos. Estes filtros já eram utilizados na indústria de papel e celulose. Para lodos de decantadores na indústria do açúcar, permite a obtenção de um caldo, mais limpo. Apresenta maior extração de sacarose da torta devido à drenagem por sucção. Apresenta maior capacidade de produção com uma umidade da torta entre 68 a 70%, equivalente à produção de dois filtros rotativos de 13’X52’ (13 pés de diâmetro por 52 pés de
comprimento). Usa bagacilho na proporção de 1,5 a 3,0 kg/TC. De maneira geral, pode-se afirmar que:
Filtro Rotativo: menor consumo de polímero, maior área ocupada na fábrica, maior custo de instalação e maior quantidade de torta.
Filtro Vacum Press:
melhor qualidade do caldo filtrado, facilidade
operacional, pode operar sem bagacilho, maior capacidade, maior consumo de polímero, gera água de lavagem de tela com 0,5 °Brix (usada na embebição), gera um caldo filtrado mais diluído.
7.9. Evaporação
O caldo clarificado é uma solução diluída, quente, de cor variável entre o amarelo e o âmbar, transparente e geralmente brilhante. A seguir este caldo é submetido a um processo de concentração através da eliminação da água. A concentração é realizada em evaporadores de múltiplos efeitos, constituídos por 4 ou 5 vasos interligados (DELGADO & CESAR, 1977 e COPERSUCAR, 1988). (VER EM ANEXO – FIGURA 3) A concentração do caldo, por motivos técnicos e econômicos é realizada em duas etapas. A primeira em evaporadores de múltiplos efeitos aquecidos a vapor, produzindo xarope. A segunda etapa realiza-se em evaporadores de simples efeito, aquecidos a vapor, denominados cozedores. Nestes o caldo entra na forma de xarope e sai na forma de massa cozida, na qual a sacarose apresenta-se parcialmente cristalizada.
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A evaporação é programada para que a concentração do xarope fique entre 60 e 70 °Brix, sendo recomendado 65 °Brix. É possível obter a evaporação até 75º °Brix, porém os cozedores precisam de um xarope ainda capaz de dissolver cristais, para dissolver os falsos cristais formados durante o início do cozimento. A quantidade de água removida na evaporação é cerca de 80% em peso do caldo ou aproximadamente 70 – 80% do peso da cana. O vapor que iria ser necessário para operar os evaporadores em simples efeito iria exceder o vapor gerado pela queima do bagaço. Assim usa-se evaporação em múltiplo efeito e se usa vapor de escape das turbinas no primeiro efeito da evaporação. O 2º e demais evaporadores são aquecidos pelo vapor vegetal (vapor produzido pela evaporação de água do caldo) do efeito anterior. O vapor de escape das turbinas entra no primeiro efeito, condensa, transfere calor para o caldo que se encontra dentro dos tubos, produzindo assim a evaporação da água (caldo) dentro dos tubos. Este vapor gerado (vapor vegetal) é utilizado no evaporador (efeito) seguinte. O evaporador múltiplo efeito é econômico ao usar vapor vegetal. A quantidade de água removida na evaporação é cerca de 80% em peso do caldo ou aproximadamente 70 – 80% do peso da cana. O vapor que iria ser necessário para operar os evaporadores em simples efeito iria exceder o vapor gerado pela queima do bagaço. Assim usa-se evaporação em múltiplo efeito e se usa vapor de escape das turbinas no primeiro efeito da evaporação. O 2º e demais evaporadores são aquecidos pelo vapor vegetal (vapor produzido pela evaporação de água do caldo) do efeito anterior. O vapor de escape das turbinas entra no primeiro efeito, condensa, transfere calor para o caldo que se encontra dentro dos tubos, produzindo assim a evaporação da água (caldo) dentro dos tubos. Este vapor gerado (vapor vegetal) é utilizado no evaporador (efeito) seguinte. O evaporador múltiplo efeito é econômico ao usar vapor vegetal. A temperatura de alimentação do caldo clarificado tem uma relação direta com a superfície de aquecimento necessária neste primeiro efeito. Normalmente a temperatura do caldo clarificado que entra no pré-evaporador é de aproximadamente 115°C (após pré-aquecimento).
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Este caldo entrará em ebulição dentro deste equipamento. Se a temperatura de alimentação for inferior a 115ºC, parte da superfície disponível no pré-evaporador será destinada, exclusivamente a aquecer o caldo até 115°C e posteriormente evaporar. Durante a evaporação, o caldo passa por uma serie de transformações químicas e destas a mais importante é a inversão da sacarose, que pode ser avaliada conhecendo-se as condições de pH inicialmente, temperatura e tempo de retenção deste líquido nos evaporadores. DELGADO & CESAR (1977), estimaram que as perdas por inversão de sacarose nos evaporadores podem chegar a aproximadamente 0,2 % do açúcar em processo. Outra transformação que ocorre é a formação de cor e está relacionada com temperaturas elevadas na fase inicial da evaporação e com o tempo de retenção prolongada. Após deixar os evaporadores, o xarope é enviado a mais uma etapa de concentração onde ocorrerá a formação dos cristais de açúcar, em função da precipitação da sacarose dissolvida na água. Esta etapa é dividida entre o cozimento e a cristalização por resfriamento.
7.10.
Cozimento
Para o cozimento são utilizados equipamentos denominados cozedores, que trabalham sob vácuo e de forma descontínua. Com a continuidade da evaporação da água inicia-se a cristalização e forma-se uma mistura de cristais envolvidos em mel (solução açucarada) conhecido por massa cozida. Esta massa tem concentração de aproximadamente 93 – 95 °Brix e a temperatura situam-se na faixa de 65-75 °C. (VER ANEXO – FIGURA 4).
7.11.
Cristalização
A massa cozida é então enviada aos cristalizadores, que são tanques, dotados de agitadores, onde essa será resfriada lentamente, com o auxilio de agua ou ár. Esta operação é feita com a finalidade de recuperar parte da sacarose ainda dissolvida no mel, pois com o resfriamento haverá deposição da sacarose nos cristais presentes, aumentando o tamanho dos mesmos. (COPERSUCAR, 1988).
34
7.12.
Centrifugação
Após o resfriamento da massa cozida esta é centrifugada para a separação dos cristais e do mel. As centrifugas são constituídas por um cesto perfurado, e a força centrifuga, faz com que o mel atravesse as perfurações do cesto, ficando no seu interior apenas os cristais de sacarose que são lavados com água e vapor para a remoção de um filme de mel que fica aderente aos cristais. O mel removido retorna aos cozedores para recuperação do açúcar. O mel final ou melaço, originado dos cozimentos de menor pureza é enviado para a fabricação de álcool. O açúcar que sai das centrifugas possui de 0,5 á 2 % de umidade e temperatura de 65 – 95 °C devido à lavagem com vapor (COPERSUCAR, 1988). (VER ANEXO – FIGURA 5).
7.13.
Secagem
Estes cristais, já denominados de açúcar, são descarregados das centrífugas e enviados para secadores/resfriadores (VER ANEXO – FIGURA 6), onde circula o açúcar em contracorrente com ar. A primeira metade, com ar quente, reduz a umidade do açúcar. A segunda metade, com ar frio, tem a função de baixar a temperatura. A secagem e o resfriamento têm como finalidade evitar o “ espeloteamento e/ou amarelamento” do açúcar, coma troca de umidade e temperatura do ambiente de
armazenamento. Ao sair do secador sua temperatura é 35 a 40 °C, umidade na faixa de 0,03 a 0,04 % e está pronto para ser ensacado. Após o resfriamento, o açúcar é peneirado para separar os aglomerados formados durante a centrifugação, a secagem e o resfriamento. O açúcar, depois de peneirado, é transportado, através de transportadores, através de transportadores mecânicos a granel, até a área de acondicionamento, que conta com embalagens diversas, tais como big bags de 1200 Kg, sacas de 25 e 50 kg, pacotes de 1, 2 e 5kg, ou mesmo a granel, até a área de acondicionamento, que conta com embalagens diversas, tais como big bags de 1200 kg, sacas de 25 e 50kg, pacotes de 1, 2 e 5kg, ou mesmo a granel.(NOVA AMÉRICA, 2008).
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8. PRODUTO FINAL E SITUAÇÃO DO MERCADO 8.1. Produção
O Brasil lidera a produção e exportação mundial de açúcar (processada). No ano de 2009, a produção açucareira do Brasil representou 20% da quantidade produzida no mundo e até aumentou sua produção em 10% durante esse ano (chegando a 34 milhões de toneladas), representando um recorde, que situa o país na liderança mundial (Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, 2009). Adicionalmente, o Brasil lidera as exportações de açúcar, que se explica tanto pelas condições favoráveis internas quanto pela queda das colheitas na Índia (segundo produtor mundial). Devido à seca, a Índia apresentou grandes quedas de produção nos dois últimos anos e teve que importar quase oito milhões de toneladas até o final de 2010. (UOL Economia, 2009). Assim, o Brasil continuará sendo o maior produtor e exportador de açúcar, seguido por Tailândia, Austrália, Guatemala e Cuba.
Gráfico 1: Histórico da Produção de Açúcar no Brasil. Fonte: ÚNICA.
A produção de açúcar tem um crescimento contínuo tanto na produção de açúcar como na produção de cana. No entanto, o gráfico 1 apresenta uma quebra na produção de safra de 1992/1993, 2000/2001, 2005/2006. Pode se notar que nestas safras, o preço para exportação
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do açúcar também baixo. Por exemplo, na safra de 1992/1993, o preço declinou a $/ton. 249,3 e na safra de 2000/2001 a $/ton. 205,8. Na safra 2005/2006, o preço de exportação de açúcar aumentou para $/ton.245, mas a produção ainda diminuiu. Pode se explicar esta diminuição por meio do incremento do preço de etanol por metro cúbico, que esse ano chegou até $/m³ 317,9, assim como a quebra de produção nos estados de Pernambuco e Alagoas na região Nordeste. Adicionalmente, é importante destacar a safra 2000/2001, a qual apresenta uma enorme quebra não só na produção de açúcar, mas também da cana-de-açúcar e etanol. Como já foi explicada previamente, aquela safra sofreu uma enorme quebra devido às condições climáticas e mudanças institucionais do país. É essencial mencionar, que começando em janeiro de 1999, o Brasil mudou seu regime monetário a uma moeda flutuante, causando uma desvalorização de 60 por cento do real. No início de 2001, o real começou a se enfraquecer novamente podem explicar também as mudanças nas exportações e importações. Tanto como na produção de cana-de-açúcar, os líderes na produção de açúcar no mercado brasileiro são as regiões Sudeste, produzindo 70%, e Nordeste, produzindo 15% da Indústria. Assim, a produção está concentrada nos estados de São Paulo (62%), Paraná (8%), Minas Gerais (7%), Alagoas (8%) e Pernambuco (5%).
Gráfico 2: Estados Lideres na produção de Açúcar – Brasil, safra 2007/2008.Fonte: ÚNICA
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Gráfico 3: Histórica Produção de Açúcar – Comparação entre os estados Brasileiros. Fonte: ÚNICA
Os estados de Pernambuco e Alagoas são os destaques da Região Nordeste.
Gráfico 4: Histórica produção de açúcar – Nordeste Brasil. Fonte: ÚNICA
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8.2. Distribuição
Como já foi dito, o Brasil é o maior produtor e exportador de açúcar no mundo, e adicionalmente é o terceiro maior consumidor após a índia e a União Europeia. Com relação às exportações, podemos notar que na safra 1999/2000, se alcança um incremento de 26% apesar dos preços terem baixado nesta safra. Na safra 2000/2001, também se nota um decline nas exportações em 35% em comparação com a safra anterior. Já na safra 2006/2007 e 2007/2008, podem-se observar um incremento nas exportações brasileiras, estas acompanhadas de um crescimento da produção de açúcar no Brasil na mesma safra. Com a quinta maior população do mundo e uma longa tradição de alto consumo de açúcar per capita, o Brasil chega a um consumo anual de 15 milhões de toneladas. O consumo per capita é cerca de 50 kg de açúcar por ano e aumentou quase 10% nos últimos anos. O consumo de açúcar em grande parte reflete o crescimento da população e seu incremento na renda per capita nacional. Assim, o consumo industrial representa entre 35% e 45% do consumo doméstico de açúcar e o consumo direito alcança entre 55% e 65%. Dada a importância econômica do açúcar na dieta nacional, o governo brasileiro tem priorizado a produção para o consumo interno. Açúcar para exportação, ao mesmo tempo vital para economia nacional, tem papel secundário. Os dez maiores compradores do açúcar brasileiro são Rússia, Nigéria, Arábia Saudita, Egito, Argéria, Canadá, Síria, Marrocos e Malásia no ano 2008, com um total de 11 960 milhares de toneladas (ÚNICA 2009). A pesar de ser a União Europeia (importando 4250 milhares de ton.) e Estados Unidos (importando 2 915 milhares de ton.) os maiores importadores de açúcar no mundo, ainda não são os maiores compradores do produto brasileiro.
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Gráfico 5: Exportações Brasileiras de açúcar por país de destino, 2008. Fonte: ÚNICA
Gráfico 6: Previsão de produção, exportação e consumo domestico de açúcar 2016/2017. Fonte: Fronzagila (2007)
–
1997/1998 a
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Tabela 3: Histórico da Produção e Exportação de Açúcar no Brasil. Safra 1990/91-2008/09. Fonte: ÚNICA
Gráfico 7: Consumo interno de açúcar, no período 2001 a 2005. Fonte: Faria e Machado (2006)
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9. CONCLUSÃO
A produção do açúcar foi o tema escolhido por conta de seu processo. Ao desenrolar do trabalho nos deparamos com um imenso mundo engenhoso de processos químicos. É notório, e indispensável comentar que, o conhecimento prévio de cada operação unitária é essencial para o compreendimento de qualquer processo químico, facilitando o acompanhamento da produção não apenas do açúcar, mas de todo e qualquer processo. Indispensável ainda é ratificar que o papel do engenheiro químico cabe a qualquer fase do processo de produção do açúcar e que o mesmo deve estar apto a atuar onde for necessário, uma vez entendido que durante a sua vida acadêmica é disponibilizado o conhecimento suficiente para desenvolver qualquer trabalho dentro de uma planta como a descrita, rica em Operações Unitárias. A fabricação do açúcar é um dos processos mais completos em relação a Operações Unitárias, e foi a partir dele que se deu um grande e profundo estudo dessa ferramenta tão importante para qualquer Engenheiro Químico.
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ANEXOS
Equipamentos do processo de Fabricação do Açúcar
Figura 1: Mesa Alimentadora com lavagem de cana. Fonte: Usina Cruz Alta de Olímpia (2008).
Figura 2: Filtro Rotativo de Torta. Fonte: Usina Cruz Alta de Olímpia (2008).
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Figura 3: Evaporadores. Fonte: Usina Cruz Alta de Olímpia (2008).
Figura 4: Cozedores. Fonte: Usina Cruz Alta de Olímpia (2008)
Figura 5: Centrífuga. Fonte: Usina Cruz Alta de Olímpia (2008).
Figura 6: Secador de açúcar. Fonte: Usina Cruz Alta de Olímpia (2008)
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Fluxograma do processo de fabricação do Açúcar. Fonte: ETANOLVERDE, (2011).
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LISTA DE SIGLAS E CONCEITOS
A. CONCEITOS °Brix: fornece a quantidade de sólidos solúveis contidos no caldo em porcentagem. B. SIGLAS COPERSUCAR: Cooperativa de Produtores de Cana-de-Açúcar, Açúcar e Álcool do Estado de São Paulo. ÚNICA: A União da Indústria de Cana-de-Açúcar
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS
BAYAMA, C. Tecnologia do açúcar - Da matéria prima à evaporação. Rio de Janeiro, 1974.
COPERSUCAR.
Censo varietal quantitativo , Centro de Tecnologia da
COPERSUCAR Piracicaba, SP, 1995
COPERSUCAR. Fundamentos do processo de fabricação de açúcar e álcool. Piracicaba, 1988. P.1-12 (Série Industrial, 20).
DELGADO, A. A. & CESAR, M. A. A. Elementos de tecnologia e engenharia do açúcar de
cana. Piracicaba, 1977, p.365-752.
ETANOL VERDE. Secretaria do Meio Ambiente do Estado de São Paulo. Governo do Estado de São Paulo. Disponível em: . Acesso em: 22 de abril de 2011.
LEME, Jr., J, & BORGES, J. M. Açúcar de cana. Imprensa Universitária, 1965. 328p.
MEADE, G. P. Manual del azucar de caña . Montaner & Simon, 1967. 940p.
NORRIS, R. S. & BRINK, Jr., J. A. Indústrias de processos químicos. 4ª ed. Rio de Janeiro. Ed. Guanabara Dois S.A. 1980
NOVA AMÉRICA. Empresa. Disponível em: . Acesso em: 22 de abril de 2011.
