Produção de Acúcar Completo , Notas de estudo de Engenharia Química

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FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA DE LORENA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

Processos Químicos Industriais II

Profa. Heizir F. de Castro

1 ° Semestre 2001

Índice

• Terminologia
• 1. Introdução
• 2. Consumo
• 3. Fabricação do Açúcar..........................................................................................................
  • 3.1. Breve Histórico
  • 3.2. Composição da Cana-de-Açúcar.....................................................................................
  • 3.3. Colheita
  • 3.4. Processo de Fabricação
• 4. Refinação do Açúcar.
• 6. Sub-Produtos......................................................................................................................
• 8. Referências

1. Introdução

O açúcar é produzido por todos vegetais clorofilados, por meio de um processo conhecido como fotossíntese

6 CO 2 + H 2 O Luz → C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 Clorofila (Glicose)

A composição básica do açúcar comercial comum é a sacarose (C 12 H 24 O 12 ), que é um dissacarídeo formado por uma molécula de glicose e outra de frutose. A sacarose é facilmente convertida em quantidades iguais de glicose e frutose, através da hidrólise ácida ou enzimática (ação da enzima invertase, presente em células de levedura) As matérias primas empregadas para produção de açúcar industrial são a cana de açúcar e a beterraba. O açúcar de beterraba é muito comum nas regiões mais frias do planeta. A beterraba empregada na produção de açúcar é diferente da beterraba ordinária pelo fato de ser muito maior e não ser vermelha. Depois de processado (industrializado) o açúcar de beterraba não apresenta diferença nenhuma em relação ao açúcar de cana e somente um químico muito hábil poderia dizer se uma amostra de açúcar refinado provêm da cana tropical ou de beterrabas crescidas na zona temperada. O açúcar refinado produzido industrialmente é uma das substâncias mais puras que se conhece, aproximadamente 99,96% de sacarose, isto se deve principalmente ao desenvolvimento e aperfeiçoamento dos processos de refinação provocados pela Engenharia Química aplicada à Indústria.

2. Consumo

Aproximadamente 90% da produção de açúcar destina-se ao uso alimentar, que abrange desde o açúcar vendido a granel para uso doméstico, como a parte empregada nas indústrias de bebidas e alimentícias. Na Tabela 1 é mostrado dados relativos a produção mundial de consumo per capita.

Tabela 1. Produção e consumo e açúcar per capita de alguns países. País Produção (ton x 10 6 )

Consumo Kg/hab Cuba 18 65 E.U.A. 20 70 Brasil 10 50 Índia 8 45 México 9,5 50 Austrália 7,5 50

Entre os usos não alimentares do açúcar, podem destacados o seu emprego como matéria prima para fabricação de: ⇒ glicerol e manitol; ⇒ plastificantes (octobenzoato de sacarose); ⇒ surfactantes: ésteres de ácidos momo e dicarboxílicos; ⇒ dextran (polissacarídeo obtido a partir da sacarose por certas bactérias).

Outros usos para os derivados da sacarose estão sob investigação, estimulada pela International Sugar Research Foundation, como por exemplo, a obtenção de ésteres de óleos secativos derivados de açúcares para indústria de tintas e de detergente.

3. Fabricação do Açúcar

3.1. Breve histórico

É difícil determinar quando o açúcar tornou-se conhecido da humanidade, entretanto na literatura européia existem indicações que a cana de açúcar foi descoberta na Índia Ocidental, por um dos oficiais de Alexandre o Grande, mais ou menos no ano de 325 A.C. Os métodos de extração e de purificação do açúcar da cana foram muito lentamente desenvolvidos. Existem registros, que por volta de 1400, métodos grosseiros foram trazidos do Oriente para a Europa. O comércio de açúcar entre a Ásia e a Europa era então, um mais importantes nos séculos passados. No Brasil, Martim Afonso de Sousa ao fundar a 1ª Vila do Brasil, a de São Vicente, também introduziu a cana-de-açúcar fazendo com que esta vila se tornasse o primeiro centro produtor de açúcar do país. A cultura da cana foi, então o elemento agrícola da civilização brasileira, fazendo crescer as cidades, influindo no organismo econômico e na vida social. Atualmente a cultura da cana está largamente difundida no Brasil tendo no Nordeste e no Sudeste do país seus principais produtores e industrializados.

3.2. Composição da cana-de-açúcar

A cana-de-açúcar pertence à família das gramíneas. Tem um caule semelhante ao do bambu e atinge uma altura de 2,5 a 4,5m. Contém cerca de 11 a 15% de sacarose, em peso. O período de crescimento é de aproximadamente 1 ano. O percentual dos principais componentes da cana-de-açúcar varia em função das condições climáticas, da variedade da cana, com a natureza e as condições do solo, com a classe de fertilizantes, com a idade da cana (estado de maturação) e uma série de outros fatores. Por esta razão, as Usinas realizam um controle rígido da qualidade da cana recebida para o processamento, sendo analisado os seguintes componentes:

Brix: Mede sólidos solúveis e está diretamente associado ao teor de sacarose, tendo um valor de aproximadamente 18% na cana madura.

POL: Teor de sacarose na cana, medido por polarímetro ou sacarímetro.

Pureza: É a relação entre o teor de sacarose e o teor de sólidos solúveis

Açúcares Redutores: Conteúdo de açúcares simples (glicose e frutose)

Fibra: Conteúdo de celulose, lignina, pentosanas (xilana), gomas (arabana). Interfere negativamente no processo, um aumento de 1% de fibra da cana, implica em uma redução na extração normal em 1,5%. O teor de fibra na cana pode variar entre 7 a 15%.

matéria prima (Tabela 3), decorrentes de diversas causas, entre as quais, podem ser destacadas:

⇒ Ressecamento dos colmos ⇒ Inversão de sacarose (acidez, temperatura, invertase) ⇒ Desenvolvimento de microrganismos (leveduras, fungos, bactérias) ⇒ Produção de compostos indesejáveis ao processo.

Tabela 3. Modificações da composição da cana de açúcar em função do tempo de estocagem.

Tempo de estocagem

Brix (%)

Sacarose (%)

Açúcares Redutores (%)

Pureza (%)

Acidez sulfúrica (g/L)

0 ( Original) 15,45 14,00 0,123 88,88 0, 3 dias 17,30 14,80 0,194 88,54 0, 6 dias 17,42 14,10 0,318 80,94 0, 9 dias 17,90 13,90 0,542 77,65 0, 12 dias 17,93 13,50 0,580 75,29 0,

Tomando por base os dados descritos na tabela acima, é recomendado períodos máximos de estocagem da ordem de:

⇒ 14 horas de estocagem Dias quente e chuvosos ⇒ 18 horas de estocagem Épocas frias e secas

3.4. Processo de Fabricação

Na Figura 2 é apresentado um lay-out de uma usina de açúcar, onde os diferentes equipamentos seguem a disposição das fases do processo.

Descrição das etapas do processo: Da matéria prima à obtenção de açúcar não refinado.

Lavagem da cana A cana é inicialmente lavada, para remover a terra e os detritos. Esta operação é realizada em uma mesa alimentadora através de chuveiros verticais de água limpa ou reciclada. Antes de ser reciclada, a água de lavagem é decantada e em seguida tratada com cal até pH 7,0 (após a lavagem da cana, o pH da água decresce para níveis próximos de 4,0). Para aumentar a eficiência de decantação, a água deve passar antes por um sistema de peneiramento. A lavagem pode ser a frio ou a quente. No caso de lavagem a quente é utilizado água dos condensadores. A adição de água sob pressão aumenta a eficiência de lavagem. O consumo mínimo de água é de aproximadamente 5 m 3 por tonelada de cana processada por hora (TCH). Em algumas usinas este consumo é da ordem de 10 a 15 m 3 / TCH.

São procedimentos comuns numa usina:

⇒ Renovar parte da água constantemente (parte limpa e parte reciclada). ⇒ Usar bactericidas nas águas de reciclo (bactericidas a base de compostos voláteis como organosulfurosos e quaternário de amônio)

Preparo da cana para moagem

Os objetivos desta etapa são: aumentar a capacidade das moendas através do aumento da densidade da massas de alimentação (menores tamanho de cana) e romper a estrutura da cana, facilitando a extração do caldo e moagem. Para tanto são utilizados os seguintes equipamentos: picador e desfibrador. As vantagens da etapa de preparo da cana no desempenho do processo são: ⇒ Aumento do rendimento da usina ⇒ Regularidade de alimentação das moendas ⇒ Redução do consumo de energia ⇒ Homogeneização do teor de fibras nas canas ⇒ Redução do desgaste e quebra de moendas.

Equipamentos: ⇒ Picador: São geralmente usados picadores de facas do tipo niveladoras e cortadoras

⇒ Niveladoras: Regulariza e uniformiza a carga de cana descarregada no condutor principal

⇒ Cortadoras: Reduz a massa heterogênea de cana em massa uniforme e homogênea.

⇒ Desfibrador: Consta de um carter cilindro em fundição provido em seu interior de um rotor com série de martelos oscilantes que trabalham sobre barras desintegradoras. A cana picada é alimentada no equipamento pela parte superior e é descarregada triturada pela parte inferior. O desintegrador corresponde a mais terno da moenda.

Moagem da cana

Após o preparo, a cana é esmagada em moendas para a remoção do caldo. Entende-se por moenda todo o conjunto de 3, 6, 9 ou 12 rolos ou cilindros agrupados na unidade de moagem de funcionamento simultâneo, geralmente precedidos de mais de dois rolos cilindros especiais e denominados de esmagadores, mais destinados a reduzir a cana a pedaços do que propriamente a espreme-la. Em termos gerais, a extração do caldo aumenta percentualmente com o número de ternos ou de cilindros ou rolos pelos quais passam a cana e o bagaço. Os cilindros são providos de ranhuras ou frisos, que tem a finalidade de aumentar a superfície útil de contato com o bagaço. Uma moenda é classicamente constituída de 3 rolos, dispostos de tal modo que a união de seus centros forma um triângulo isósceles (Figura 3). Para aumentar o rendimento industrial, é adicionado água no bagaço, por meio de pulverizadores dispostos entre os diversos jogos de moenda. Este procedimento de embebição ou diluição, pode ser aplicado apenas em um dos pontos das esteiras entre os ternos das moendas (embebição simples) ou pode ser aplicado em dois ou três pontos (embebição composta), conforme mostrado na Figura 4. Na embebição composta é adicionado água ou caldo diluído às moendas.

decantadores (Figura 6). A velocidade de sedimentação das impurezas depende do tamanho e forma das partículas, densidade e viscosidade do caldo. Embora seja facultativa a filtração do caldo decantado, é necessário submeter a borra a uma filtragem adicional, para isso é empregado filtros prensa ou filtros rotativo.

Concentração do caldo

O caldo clarificado é então, submetido a uma concentração gradativa. Primeiro, o caldo toma consistência de xarope nos evaporadores (a etapa de evaporação, geralmente reduz a concentração original de água no caldo de 80% para 40%, resultando na formação de um xarope grosso e amarelado). Os evaporadores são recipientes cilíndricos, fechados e providos de vigia com vidros para o acompanhamento do processo no interior dos mesmos. Na evaporação empregam-se, não apenas um vaso de evaporação mas um conjunto de até cinco, quando então, é chamado de evaporadores de múltiplo efeito. Toda a operação é realizada a vácuo, produzido pela condensação de vapores de cada vaso. Desse modo, o primeiro vaso não trabalha sob vácuo, só do segundo em diante. O xarope resultante dos evaporadores passa, então aos cozedores, comumente chamados de vácuos, vasos muito semelhantes aos evaporadores em simples efeito, ou seja, cada vaso recebe independentemente uma carga de vapor, através de um distribuidor de vapor. Nesta etapa, num conjunto de vasos que funcionam sob vácuo (maior que o empregado nos evaporadores) tem lugar a segunda fase da concentração e o xarope levado até a super-saturação toma consistência de mel e começam a se formar os cristais de açúcar que após crescerem em tamanho e aumentado o volume da massa cozida (uma mistura de cristais envolvida em mel) é descarrregado nos cristalizadores, onde se completa a cristalização do açúcar. Ainda que construídos segundo diversos modelos, os cristalizadores são basicamente iguais, providos de um elemento que gira lentamente, uma espécie de parafuso que movimentando a massa faz com que o açúcar dissolvido no mel entre continuamente, em contato com os cristais, aumentando o volume enquanto, também se processa o resfriamento. Dependendo da quantidade de massas, os cristalizadores também, são empregados em conjunto. Uma vez completada a cristalização, a massa cozida é então centrifugada, para separar os cristais de açúcar do mel que os envolve. Os cristais obtidos são de açúcar demerara de boa qualidade e o xarope obtido é reciclado para os cristalizadores. O mel final, mel exausto, mel residual ou melaço é portanto o subproduto resultante de massas cozidas que já foi pelo menos reciclada duas vezes. O melaço pode ser utilizado para ração de gado e como matéria- prima para diferentes tipos de processos fermentativos. O açúcar demerara é o tipo conhecido no mercado internacional pela denominação de Raw Sugar, de cor escura amarelada, tendente ao âmbar e que deve passar pelo processo de refinação ou branqueamento antes do seu consumo. É o tipo essencialmente destinado à exportação contendo aproximadamente 98% de sacarose, e 0,25% de umidade. Um fluxograma simplificado é mostrado na Figura 7.

4. Refinação do Açúcar

O açúcar correntemente produzido nas usinas é do tipo cristal e, ainda que de alta pureza, quando destinado ao consumo direto não satisfaz ao paladar, pois possui certo gosto e cheiro de melaço e turva os líquidos aos quais é adicionado. A refinação visa eliminar esses inconvenientes e dispor o açúcar na sua função de adoçante. A refinação é um processo simples e, de uma maneira geral promove essencialmente a transformação do açúcar cristal em açúcar amorfo, isto é, sem cristais, de consumo corrente, com uma ligeira purificação. Em resumo, a refinação visa, além da purificação a melhoria da composição do açúcar, do seu sanitário e o seu branqueamento. A refinação é efetuada por um processo comum a todos os tipos de açúcares encontrados no mercado, recebendo a denominação de Via Líquida. Esta se divide nas seguintes fases:

⇒ Dissolução ⇒ Clarificação ⇒ Filtração em Leito de Areia ⇒ Filtração em Leito de Carvão Animal ⇒ Filtração em Leito de Resina

O processo de refinação de açúcar tem início com a dissolução do açúcar cristal proveniente das usinas (Figura 8). Este açúcar pode ser recebido em sacos de 50 Kg a granel (através de caminhões basculantes) ou em containers. O açúcar a granel é descarregado sobre uma tela, caindo sobre uma esteira que irá transporta-lo até um dos três Elevadores de Canecas que irão conduzi-los até um dos três Silos de Armazenamento. O mesmo ocorre com o açúcar recebido em sacos ou em containers diferindo apenas na forma como são descarregados e transportados até os elevadores de caneca, isto é, são descarregados sobre dosadoras que irão conduzir o açúcar até os elevadores. Cada silo irá alimentar, através de Rosca Dosadora um dissolvedor. Neste equipamento, sob aquecimento ocorre a dissolução do açúcar com água doce proveniente do desdoçamento de equipamentos de todos os setores da refinaria. O dissolvedor é dotado de serpentina dentro da qual circula vapor, para que haja aquecimento da calda, e de rotores tipo hélice que irão provocar a agitação. A calda dissolvida apresenta temperatura entre 70 e 80°C, pH de 7,0 a 7,4 e concentração de 66,8 a 68,3°^0 Brix (porcentagem de sólidos solúveis). Esta calda é passada por Peneiras Vibratórias com malhas de aço inoxidável, com abertura de 0,80 mm, onde é retida grande parte das impurezas (especialmente bagacilho). Em seguida é bombeada aos Tanques de Calda dissolvida, sendo então enviada ao setor de Clarificação. Na Clarificação, a calda é aquecida em trocadores de calor até atingirem uma temperatura em torno de 85 a 90°C. Na linha que conduz a calda dos trocadores aos clarificadores são adicionados componentes que promovem a floculação e flotação de corantes presentes na calda. Estes corantes são retirados na parte superior dos equipamentos através de pás raspadeiras, e a calda clarificada, retirada pela parte inferior do equipamento, é enviada aos Tanques de Calda Clarificada. Neste processo, ocorre uma redução de 50% da cor. A próxima etapa é a Filtração. Esta é realizada em três etapas diferentes. A primeira é passagem por Filtros de Areia, a pré -filtração, onde são retiradas as partículas insolúveis,

A expedição deste produto é realizada a granel, em caminhões tanques ou em tambores revestidos com sacos de polietileno. Para introduzir o xarope nos caminhões tanque utiliza-se tampas de engate rápido e telas de inox que impossibilitam a contaminação por agentes externos. Um bico telado de aço inoxidável pode ser acoplado à mangueira de alimentação quando se quer carregar recipientes, nos quais o engate rápido não é possível, como é o caso dos tambores.

Açúcar granulado

O processo de fabricação do açúcar granulado inicia-se com o calda transferida do Tanque de Calda e é armazenada em um dos tanques do granulado. O cozimento da calda é feito no Tacho à Vácuo Nesse equipamento, ocorre a formação dos cristais de açúcar através da saturação do meio, a uma pressão de vácuo de 20 polegadas de mercúrio e de temperatura em torno de 72oC. A fim de manter o aquecimento, usa-se vapor a uma pressão de 0,5 a 1,0 Kgf/cm^2 no interior da calandria, que efetua a troca térmica sem que o vapor entre em contato com a calda. Passado o tempo de cozimento, de 5 a 6 horas, a massa de cristais formada é liberada para o Cristalizador, localizado logo abaixo do tacho de vácuo. Esse equipamento possui um meio de agitação interna que promove constante movimentação da massa. As centrífugas, para onde é transferido a massa após a cristalização, são responsáveis pela separação do açúcar (parte cristalizada), do mel (parte líquida). Esse mel que contém corantes é enviado para tanques apropriados. O açúcar centrifugado é enviado a um Secador, no qual a umidade é retirada com a introdução de ar atmosférico. Na extremidade do equipamento, o açúcar é coletado e, por meio de um elevador de canecas. O empacotamento do produto acabado é feito numa máquina acoplada a um silo, em embalagens de 30Kg, sendo posteriormente armazenadas e expedidas. Existe outra saída do silo, destinada ao enchimento de containers, que leva o açúcar a outra máquina empacotadora para embalagens de 500 gramas e 5 kg. Antes desse empacotamento, o açúcar passa por uma chapa de aço inoxidável com abertura de 3,4 mm que alimenta, através de um elevador de canecas, o silo associado à máquina de empacotamento. O produto acabado é então, devidamente embalado e expedido.

Açúcar granulado ( Tipo GRANÇÚCAR)

O processo de fabricação deste tipo de açúcar granulado inicia-se com a calda recebida das Colunas de Resina 200 , a qual é armazenada em um dos Tanques do Granulado. O cozimento da calda é feito no Tacho à Vácuo Nesse equipamento, ocorre a formação dos cristais de açúcar através da saturação do meio, a uma pressão de vácuo de 20 polegadas de mercúrio e de temperatura em torno de 80o^ C. A fim de manter o aquecimento, usa-se vapor a uma pressão de 0,3 a 0,4 Kgf/cm^2 no interior da calandra, que efetua a troca térmica sem que o vapor entre em contato com a calda. Passado o tempo de cozimento, de aproximadamente de 2,5 -3,0 horas, a massa de cristais formada é liberada para o Cristalizador, localizado logo abaixo do tacho de vácuo. Esse equipamento possui um meio de agitação interna que promove constante movimentação da massa, tendo como objetivo completar a cristalização.

As centrífugas, que recebem a massa cristalizada, são responsáveis pela separação do açúcar (parte cristalizada), do mel (parte líquida). Esse mel que contém corantes é enviado para tanques apropriados. O açúcar centrifugado é transferido para um Secador onde a umidade é retirada com a introdução de ar atmosférico. Na extremidade do equipamento, o açúcar é coletado e, por meio de um elevador de canecas, é enviado as peneiras. Antes de passar pelas peneiras, existe um ímã que impede a passagem de qualquer partícula metálica para o produto final. Essas peneiras vibratórias, constituídas por malhas de aço inoxidável possuem mesh de 24, 20 e 14. Desse modo, o açúcar que deixa essa peneira possui granulometria especificada dependendo do fabricante. O produto acabado é acondicionado em um Silo, sucedido por um outro ímã que garante a eliminação completa das partículas metálicas. O empacotamento é feito numa máquina acoplada ao silo em embalagens de 30 Kg, posteriormente armazenadas e expedidas. Existe outra saída do silo, destinada ao enchimento de containers, que leva o açúcar a outra máquina empacotadora para embalagens de 500 gramas e 5 kg. Antes desse empacotamento, o açúcar passa por uma chapa de aço inoxidável com abertura de 3,4 mm que alimenta, através de um elevador de canecas, o silo associado à máquina de empacotamento. O produto acabado é então, devidamente embalado e expedido.

Açúcar amorfo

As caldas purificadas são concentradas até um certo grau de supersaturação, e então recebem a semeadura de uma quantidade determinada de açúcar fino. Estes cristais crescem até uma dimensão conveniente ao mercado mediante uma taxa de ebulição e de evaporação apropriadamente regulada, junto com a agitação e a entrada da calda. Os xaropes mais puros são reservados para o açúcar líquido (incolor), os seguintes para o açúcar em tabletes e granulado grosso, e o restante vai para os fabricantes de conservas e de bebidas, para os doceiros e confeiteiros (açúcar mascavo). Os cristais de açúcar secos passam por uma série de peneiras, onde são classificados de acordo com o tamanho. O açúcar é então, colocado em sacos ou caixas mediante diversos equipamentos automáticos de embalar e pesar e distribuído ao mercado.

5. Tipos e Classificação do Açúcar Nacional

A indústria brasileira de açúcar produz vários tipos deste produto, conforme as denominações e características listadas na Tabela 4.

Tabela 4. Tipos de açúcar comercializado Tipos Sacarose (%)

Umidade (%) Açúcar Demerara 98,0 0, Cristal Standard 99,3 0, Cristal Especial 99,7 0, Refinado Amorfo de 1ª 99,0 0, Refinado Amorfo de 2ª 98,5 0, Granulado 99,8 0,

Figura 1. Curvas de maturação de diferentes variedades de cana.

Figura 2. Fases do processo de transformação da matéria prima em açúcar não refinado.

Figura 3. Disposição dos cilindros em moenda de três rolos. Cilindro A e B- mesmo sentido (posição fixa), Cilindro C -sentido contrário (posição regulável)

Figura 4. Sistema de moagem com embebição composta

Figura 5. Purificação do caldo bruto

Figura 6. Decantador

Figura 7. Fluxograma do processo de fabricação de açúcar não refinado

Figura 8. Fluxograma do processo de fabricação de açúcar refinado.

Figura 9. Visão geral do aproveitamento da cana de açúcar