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Processo de produção do açucar, fluxograma, e operações
Tipologia: Notas de estudo
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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.
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.
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.
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
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.
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%.
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.
Figura 1: Diagrama de Bloco do Processo de Fabricação do Açúcar
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 + O 2 → SO 2. (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:
CaCo 3 → CaO + CO 2 (II) CaO + H 2 O → Ca (OH) 2 (III)
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.
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.
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 (SO₂) 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).
A sulfitação é o primeiro tratamento químico que o caldo recebe na usina, e consiste na passagem do gás anidrido sulfuroso (SO₂) 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 SO₂ 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 SO₂ 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:
Infelizmente, nem todo o enxofre queimado se transforma em SO₂, pois nem sempre se consegue parar a reação, podendo formar SO₃, 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
