ECA407 Automação e Supervisão de Processos II
Processos Industriais: Processo de fabricação de cachaça
Integrantes: Bruno E Barbosa Gorini
16945
Douglas Roberto de Oliveira
16952
Fábio Fernandes de Oliveira
16957
Gabriel Melo Costa
16960
Jefferson T. Zenezini
16963
João Henrique Arnar Marquezólo
16964
Matheus de Mendonça Ramos
16974
Fabricio Nogueira Cavalcanti
16982
Prof. Luiz Lenarth Gabriel Vermaas
Índice I. Objetivo ............................................................................................................................. ....
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II. Introdução .............................................................................................................................
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III. Descrição do processo e análise de entradas e saídas.........................................................
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IV. Melhorias do processo ............................................................................................................
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V. Conclusão .......................................................................................................... ....................
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VI. Referencias bibliográficas ......................................................................................................
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I. Objetivo Apresentar uma análise e detalhamento das etapas do processo de fabricação de cachaça, enfatizando a descrição funcional de tais etapas. Além disso, apresentar a descrição dos pontos de entrada e saída que são utilizadas para controlar o processo em geral e discutir possíveis medidas que podem ser tomadas para melhorar diversos fatores durante a produção.
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II. Introdução A cachaça, bebida feita da fermentação e destilação do melaço proveniente da cana-de-açúcar foi descoberta pelos escravos dos engenhos de açúcar em meados do século XVI. Era considerada uma bebida de baixo status perante a sociedade, pois era consumida apenas por escravos e brancos pobres, enquanto a elite brasileira da época preferia vinhos e a bagaceira (aguardente de bagaço de uva), trazidos de Portugal. Para que o produto receba a denominação de cachaça, deve obedecer aos parâmetros estabelecidos por lei, sendo a cachaça, caninha, cana ou aguardente de cana toda bebida que utilize a cana-de-açúcar como matériaprima e com sua graduação alcoólica entre 38% e 54% em volume, a 20° C, podendo ainda ser acrescida de açúcar em até seis gramas por litro, sendo que quando a adição de açúcar for superior a seis e inferior a 30 gramas por litro deve receber a denominação de cachaça adoçada, caninha adoçada ou aguardente de cana adoçada. A cachaça é produzida em todos os Estados brasileiros, mesmo naqueles onde o cultivo da cana-de-açúcar não é favorável. Os maiores produtores de cachaça são: São Paulo (45%), Pernambuco (12%), Ceará (11%), Rio de Janeiro (8%), Minas Gerais (8%), Goiás (8%), Paraná (4%), Paraíba (2%) e Bahia (2%), sendo os três primeiros responsáveis por quase toda produção de cachaça industrial. Embora a legislação não estabeleça distinção entre os produtos finais das destilarias industriais e dos alambiques artesanais, existem, na prática, muitas diferenças entre cachaça de alambique e cachaça industrial. As diferenças entre a cachaça industrializada e a de alambique (artesanal) estão tanto na escala quanto no sistema de produção. Nos alambiques geralmente são produzidos de cem a mil litros/dia de cachaça, ao passo que nas destilarias industriais são produzidos cerca de trezentos mil litros por dia. As cachaças industriais são controladas por empresas e a cana-de-açúcar é cultivada em grandes áreas, enquanto a pinga artesanal é produzida em pequena escala por pequenos produtores, em sua maioria utilizando mão-de-obra familiar. Estima-se que existam por volta de 40 mil produtores de cachaça artesanal no Brasil. O processo de produção também é diferente, pois em larga escala utilizam-se, muitas vezes, colunas de destilação e tonéis de aço-inox, a adição de produtos químicos na fermentação e não se separa a parte nobre do destilado. No processo artesanal, a destilação é feita em alambiques de cobre e a fermentação ocorre de forma natural. O processo de produção da cachaça envolve varias etapas importantes, que são a seleção da matéria-prima, moagem, filtração e decantação, preparação do mosto, fermentação, destilação, envelhecimento, engarrafamento e a padronização do produto, que poderão ser estudadas com mais detalhes durante o desenvolvimento do relatório.
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III. Descrição do processo e análise de entradas e saídas 1ª Etapa: Seleção da matéria-prima A cana-de-açúcar é a matéria-prima para a fabricação da cachaça; sua escolha e manuseio são de grande importância na eficiência da fermentação, destilação e em consequência, da qualidade do produto final. Recomendase que a cana usada na produção do destilado seja colhida manualmente, pois a cana queimada trás inconvenientes, como a queima de microrganismos, necessários para uma boa fermentação, tornando o caldo mais impuro, além da tendência de deterioração mais rápida da cana cortada. Antes de cortar a cana é necessário observar sua maturação, para isso, usa-se o refratômetro de campo que é um aparelho de simples manejo que dá diretamente o teor de sacarose. No Brasil, a cana de açúcar atinge o ponto máximo de sacarose entre junho e julho e o solo ideal deve ter o pH entre 4 e 6. Outro fator importante sobre o corte é que a cana verde vai produzir metanol, o que é indesejável em uma boa cachaça. O produtor da cachaça, em conjunto com o fornecedor da matéria-prima, deve se preocupar com a boa qualidade da cana, pois a fábrica deverá recebê-la em excelentes condições para a moagem. A cana ideal para a produção deve reunir qualidades de alta produtividade: rica em açúcar, de colmos moles, baixo teor de fibras. É preciso que a cana seja recém-colhida e em quantidade suficiente para não estrangular a produção da indústria pela falta do caldo para processamento.
2ª Etapa: Moagem da Cana A cana a ser enviada para o engenho deve ser madura, fresca, limpa e deverá ser moída num prazo máximo de vinte e quatro a trinta e seis horas após o corte, evitando assim, a deterioração do caldo. Para a retirada do caldo da cana que contém os elementos para a fabricação de aguardente, usam-se moendas que separam o caldo do bagaço. É de extrema importância além de manter as moendas bem reguladas, manter as bicas e a canalização que conduz o caldo e o ambiente sempre limpos. Em seguida, este caldo é preparado através da adição de nutrientes e levado para as dornas para processar a fermentação. A moagem da cana fora da safra pode trazer problemas de fermentação e na destilação, podendo inclusive escurecer a cachaça produzida nestas condições. Em grandes processos, a moagem é automática. Uma ponte rolante operada manualmente transporta a canade-açúcar ao moedor. Com a chegada da cana, o sistema de moagem é ativado automaticamente. Para tal, sensores de presença detectam a presença da matéria prima nos dutos que levam ao moedor. Assim, o sistema é acionado para que a moagem se inicie. Após o processo de moagem, o bagaço é separado é transportado por uma esteira, que é ativada juntamente com os motores do moedor. Já o líquido extraído da cana é levado ao processo de filtração.
Dispositivos Sensor de presença do moedor Motor do moedor Motor da esteira
Tipo (Entrada/Saída) Entrada Saída Saída
3ª Etapa: Filtração e Decantação Na saída da moenda o caldo deverá passar por uma peneira, que pode ser estática, rotativa ou vibratória, para a retirada de impurezas, em especial dos bagaços originados na moagem, e que favorecem as infecções da fermentação. Durante tal processo, agitadores estão ligados a peneiras responsáveis por filtrar as mais diversas impurezas. As impurezas são filtradas parcialmente, iniciando-se por impurezas maiores e finalizando o processo com o caldo com uma quantidade mínima de partículas residuais sólidas. A limpeza das peneiras ocorre automaticamente, pois as mesmas são instaladas com uma determinada inclinação lateral, assim todo o resíduo cai por gravidade com a agitação. Em seguida, o caldo pré-filtrado passa pelo decantador, onde os resíduos mais finos, como a terra, serão separados. O decantador conta com desníveis, que possuem um jogo de lâminas na parte interna, permitindo a passagem do caldo pelas mesmas, a fim de facilitar o depósito das sujeiras nessas lâminas. 5
No fundo do tanque uma válvula de escoamento ativada por um solenoide permite a retirada do caldo sem resíduos. Esse comando é realizado após uma contagem de um temporizador.
Dispositivos Motor das peneiras Motor da esteira de retirada de resíduos Válvula por solenoide
Tipo (Entrada/Saída) Saída Saída Saída
4ª Etapa: Preparação do Mosto A garapa depois de filtrada e decantada é transferida para um tanque de preparação do mosto (mistura açucarada destinada à fermentação alcoólica). A primeira medida feita é a determinação do teor de açúcar, para a qual é utilizado um sacarímetro digital, um sensor próprio para a medição de concentração de sacarose do caldo. Para uma boa fermentação, o caldo de cana deve apresentar concentração de açúcares entre 15 e 18%, a uma temperatura de 30°C, a qual é observada através de um sensor de temperatura para fins de observação. Normalmente, o caldo da cana moída apresenta uma concentração entre 15 e 22%, devendo ser diluído. Este processo de diluição é automático. Uma leitura no sacarímetro mede a concentração inicial, e se for necessária a diluição, uma válvula é aberta para que água seja adicionada a mistura. Além disso, o tanque possui um sensor de nível a fim de evitar o transbordamento do mesmo. Teores altos de açúcar acarretam fermentações mais lentas e frequentemente incompletas, aumentando na destilação o teor de furfural (composto orgânico heterocíclico aromático) o qual provoca aromas desagradáveis na cachaça. Teores baixos de açúcar permitem fermentações mais rápidas, porém acarretam perdas de rendimento na destilação, pois há uma produção deficitária de álcool etílico.
Dispositivos Sacarímetro Digital Sensor de temperatura Sensor de nível Válvula de diluição
Tipo (Entrada/Saída) Entrada Entrada Entrada Saída
5ª Etapa: Fermentação A fermentação consiste em adicionar ao mosto uma levedura, para transformar o açúcar em álcool. As dornas de fermentação são recipientes onde são inoculados os mostos. Pé-de-cuba é o mosto preparado com cuidados especiais, de maneira que determinado fermento se desenvolva nas melhores condições possíveis. Este mosto, devidamente inoculado, deve ser misturado ao mosto normal, em quantidade conveniente, assim tem-se a fermentação com as características desejadas. Este processo é repleto de sigilos industriais, a preparação do mosto especial, bem como a concentração do mesmo no mosto final determinam as características da cachaça. Para que a mistura do mostro seja realizada, sensores de nível verificam quanto de mostro está sendo misturado pela válvula responsável pela transferência. Inicia-se então, a fase da fermentação, quando a levedura se multiplica intensamente, transformando o açúcar em álcool. Esse processo é cronometrado para que a fermentação se complete no tempo correto. O tempo ideal de fermentação é de 24 a 36 horas. Cessada a fermentação, deixa-se em repouso, por 2 ou 3 horas para a sedimentação da levedura. Em seguida retiram-se quatro quintos deste mosto, agora denominado vinho. Tal retirada é automática e conta com a ajuda de um sensor ultrassônico de nível. A abertura da válvula é linear para que o líquido não ponha em suspensão a levedura decantada. Este vinho vai para o alambique e pode ser ainda filtrado, coado ou peneirado. O quinto restante na dorna funciona como o pé-de-cuba na operação seguinte.
Dispositivos Sensores de nível ultrassônico (tanque 1 e 2) Válvulas
tipo
“globo”
de
abertura
linear
Tipo (Entrada/Saída) Entrada Saída
(tanque 1 e 2)
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6ª Etapa: Destilação O princípio da destilação se baseia na diferença entre o ponto de ebulição da água e do álcool etílico, o que permite separar o álcool, e serve para todos os tipos de destilados. O termo destilação corresponde à separação das substâncias voláteis presentes no líquido, inicialmente transformadas em vapor, e depois condensadas. A operação é conseguida através do calor, necessário para evaporar, e do frio, no caso conseguido com a água, para condensar os vapores. Do destilado de aguardente, devem ser separados, obrigatoriamente, um volume inicial (cabeça) e um final (cauda). Portanto, para uma aguardente de qualidade superior, é fundamental que os elementos contidos nestas duas partes não passem ao produto final. Estas partes retornam para um depósito, e podem ser novamente destilados no próximo alambique. O restante (75 a 80%) constitui o chamado “corpo” (ou “coração”), que é a
aguardente que posteriormente será comercializada. O controle de temperatura da torre de destilação é feito por um CLP. Sensores de temperatura monitoram a temperatura de aquecimento na base da torre. Além disso, em cada nível de destilação, a temperatura deve estar correta para que haja a destilação do tipo de álcool correto. Caso seja necessário um aquecimento ou resfriamento, válvulas de gás são abertas ou fechadas para que a temperatura da torre seja controlada. Já nas colunas de condensação, que são as saídas de cada nível de destilação, há também um monitoramento das temperaturas, para que o álcool seja resfriado a temperaturas desejadas.
Dispositivos Sensores de temperatura Válvulas de gás
Tipo (Entrada/Saída) Entrada Saída
7ª Etapa: Envelhecimento A partir da destilação, a cachaça poderá ser engarrafada ou envelhecida em madeira. Porém, antes o produto passa por uma inspeção final, que é a conferência pelo etilômetro, que é um sensor responsável por medir o teor alcoólico. O importante no envelhecimento é permitir a oxidação do álcool. Então um recipiente de metal não permitirá o envelhecimento adequado por não permitir entrada do ar. Podem ser usados vários tipos de madeira como o carvalho, ipê, pau d’água, etc. A escolha de um bom recipiente de envelhecimento é fundamental para o sabor final do produto. Válvulas liberam a saída do produto para a seção de envelhecimento ou engarrafamento da fábrica. A aguardente-de-cana, é definida pela legislação brasileira como produto alcóolico obtido a partir da destilação do caldo de cana fermentado, devendo apresentar teor alcóolico entre 38º e 54º GL.
Dispositivos
Tipo (Entrada/Saída)
Etilômetro Válvulas solenoides
Entrada Saída
8ª Etapa: Engarrafamento Consiste em acondicionar o produto em embalagem adequada, normalmente de vidro, comumente em volumes de 600 ou 1.000 ml. Neste processo, através de uma enchedora, a cachaça é transferida para a embalagem, observando os cuidados de filtragem do destilado, sendo posteriormente fechada com tampa metálica, rolha ou conta-gotas. Também se observa, como nova tendência de mercado, a utilização de vasilhames de cerâmica, especialmente por estabelecimentos mais preocupados com a diferenciação e sofisticação do produto. Todo o processo é automatizado. Tubulações levam o produto até a linha de envase. Uma esteira carrega as garrafas que são inspecionadas por uma câmera industrial. Paradas na linha de envase são feitas para que o líquido seja transferido para a garrafa. O tempo de abertura de cada válvula é controlado para que a quantidade de líquido seja uniforme em todas as garrafas, além de garantir que nunca haja o transbordamento. Após o processo de enchimento, câmeras monitoram o nível de cada garrafa. Caso alguma garrafa não contenha o nível desejado, um atuador pneumático a retira da linha de envase.
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Após o preenchimento da garrafa, atuadores pneumáticos tampam as garrafas. O tamponamento pode ser com tampas de metal ou rolhas.
Dispositivos Válvulas de envase Motor da esteira Sensor de posição da esteira Atuador pneumático Dados processados das câmeras Atuadores de fechamento das garrafas
Tipo (Entrada/Saída) Saída Saída Entrada Saída Entrada Saída
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Fluxograma do processo
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IV.
Melhorias no processo
Processo de recebimento da matéria-prima: Um dos fatores determinantes para o sabor e a qualidade da cachaça é o teor de açúcar da cana que será utilizada no processo de fabricação. Nesse sentido sugere-se a realização de um teste químico que determine o teor de açúcar da cana a cada novo lote recebido. Normalmente, os produtores de cachaça não fazem testes por comprarem toda a cana-de-açúcar de um mesmo produtor agrícola, então, consideram que o teor de açúcar está dentro dos limites aceitáveis para a fabricação de sua cachaça. Esses testes do teor de açúcar permitiram que o produtor de cachaça tenha vários fornecedores diferentes, pois todos os lotes dos diferentes fornecedores seriam submetidos a tais testes de qualidade. Assim, assegurasse ao fornecedor da cana uma maior uniformidade e qualidade do seu produto também. Seria submetida 1% da quantidade total de cana recebida aos testes de teor de açúcar inicial, sendo assim, garante-se maior uniformidade e qualidade do produto. Uma porção inicial do caldo de cana obtido através da moagem passaria por um teste antes de seguir no processo de produção da cachaça. Seria uma etapa simples, o caldo passa por uma peneira que identifica a presença de partículas indesejáveis no caldo e depois fica em repouso por volta de 20 minutos em um tanque, onde teríamos sensores monitorando o teor de açúcar no caldo. Passando por esse teste seu lote é validado e segue na linha de produção da cachaça.
Fermentação: Podemos melhorar o processo de fermentação com estratégias simples, como por exemplo, a implantação de um filtro para a água que será adicionada a mistura e um sistema de climatização que mantenha e verifique a temperatura da sala em 25° C. Além disso, deve-se investir em um sistema que faça a adição da quantidade exata dos ingredientes necessários nesta etapa, água potável, fubá de milho e farelo de arroz. A água potável, após passar por um filtro pode ter o seu volume controlado com o auxilio de um sensor de vazão e um temporizador que determinará quanto tempo a válvula ficará aberta, permitindo a passagem da água. O fubá de milho e o farelo de arroz podem, por exemplo, ficar em tonéis de armazenamento sobre o tonel onde a mistura está sendo feita, então, sabendo-se a quantidade de ingrediente no tonel de armazenamento e considerando-se que a única força que atuará para que os ingredientes caiam sobre o tonel da mistura é a força de gravidade, podemos determinar quanto tempo a válvula que liga os toneis deve ficar aberta. Portanto, com sensores de vazão, temporizadores e cálculos simples, nesta etapa, é feita uma eficiente malha de controle para determinar a quantidade de cada ingrediente que garantirá a melhor qualidade ao produto.
Destilação: Após o processo de fermentação, o mosto fermentado é rico em componentes nocivos à saúde, como aldeídos, ácidos, bagaço e bactérias. Neste processo teremos a divisão em três subprodutos, “cachaça de cabeça”, “cachaça de coração” e “água fraca”.
Portanto, uma possível melhoria que pode ser encontrada baseia-se no melhor processo de filtragem dos três subprodutos, visto que apenas a “cachaça de coração” é enviada para envelhecimento e posteriormente comercializada. O processo de filtragem pode ser feito através da volatilidade dos componentes e de suas densidades, visto que a “cachaça de cabeça” é rica em substâncias voláteis, enquanto a “água fraca” apr esenta um teor de substância menos volátil. Portanto, analisando-se as densidades e volatilidades desses produtos pode-se separa-los da “cachaça de coração” que prosseguirá para o processo de envelhecimento.
Envelhecimento: No processo de envelhecimento, por fim, pode ser feito um sistema de controle e supervisão que determinará a quantidade de cachaça que deve ser encaminhada ao envelhecimento para cara tipo específico de barril e supervisionar o tempo em que esta permanece armazenada. 10
V.
Conclusão
Neste trabalho foram expostas as diversas etapas do processo de fabricação de cachaça, sendo possível observar que este abrange desde a escolha da matéria-prima até o engarrafamento. Alguns pontos puderam ser observados, como a necessidade de se controlar a concentração de açúcar presente no mosto e a preparação do péde-cuba, responsável pelas caracterizas da cachaça. Algumas sugestões foram realizadas para melhoria do processo, como o controle mais preciso dos ingredientes adicionados ao mosto e um melhor processo de destilação. É possível observar que o processo já possui certo grau de automatização, sendo grande parte do mesmo realizado de maneira autônoma. Pode-se dizer, no entanto, que ainda falta um controle mais preciso de partes do processo, como a destilação, para maximizar a eficiência e reduzir perdas do mesmo.
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VI.
Referencias bibliográficas
http://www.cachacaexpress.com.br/fabricacao http://www.microbiologia.icb.ufmg.br/monografias/151.PDF http://www.sebrae.com.br/setor/derivados-de-cana/cachaca/producao/ http://www.enq.ufsc.br/labs/probio/disc_eng_bioq/trabalhos_grad2005/cachaca/cachaca.ppt
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