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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.
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.
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. (^2) PAYNE,J.H; Operações Unitárias na Produção de Açúcar de Cana, 1989, pag. 85,86,
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 P 2 O 5 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.
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. (^5) CASTRO,S.B; Tecnologia do Açúcar, 2007, pag. 113
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
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 (^6) CASTRO,S.B; Tecnologia do Açúcar, 2007, pag. 135
Aquecedor tubular horizontal 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. caldo caldo vapor condensado
feita a correção. A concentração de P 2 O 5 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. Entrada de caldo de FlashBalão Entrada polímero de DECANTADOR S/ BANDEJA CONTROLE AUTOMÁTICO DE RETIRADA DE LODO DECANTADOR SEM BANDEJA CLARIFICADO^ CALDO (^7) PAYNE,J.H; Operações Unitárias na Produção de Açúcar de Cana, 1989, pag.
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.
Fonte - SMAR Fitro Rotativo Fonte – Usina Coruripe Campo Florido Filtro Prensa
Fonte – Tecnopulp Parâmetros de trabalho
- Temperatura do lodo deve ser maior que 80 oC
- Temperatura da água de lavagem deve ser em torno de 80 oC
- Umidade da torta – 70 – 75 %
- Pressão da água de lavagem 1,5 – 2,0 Kg / cm^2
- Espessura da torta 7 – 10 mm
- 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.
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
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
