FATORES QUE INFLUENCIAM AS PERDAS DURANTE O PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO NA PRODUÇÃO DE AÇÚCAR

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1 FATORES QUE INFLUENCIAM AS PERDAS DURANTE O PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO NA PRODUÇÃO DE AÇÚCAR Factors that influence losses during the crystallization process in sugar production Maria Angélica Marques Pedro Doutora em Engenharia e Ciências de Alimentos (Área de Concentração: Engenharia de Alimentos), Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, professora da União das Faculdades dos Grandes Lagos (UNILAGO). mangelmp@hotmail.com Resumo Este artigo tem o objetivo de estudar a etapa de cristalização do açúcar para aumentar a eficiência do processo. A viscosidade da massa é um importante fator a ser considerado, sendo a temperatura e a solubilidade e teor de dextrana, os principais parâmetros responsáveis. Além de possibilitar a recuperação final da sacarose, produz cristais de forma e tamanho padronizados para a comercialização. Palavras-chave: açúcar; cristalização; perdas; recuperação de sacarose. Abstract This article aims to study the crystallization step of sugar to increase the process efficiency. The paste viscosity is an important factor to be considered, the temperature and the solubility and dextran content primarily responsible parameters. Besides enabling the final recovery of sucrose, produces crystals of standardized shape and size for marketing. Keywords: sugar, crystallization losses, sucrose recovery. 1 INTRODUÇÃO A crescente competitividade do setor sucroalcooleiro, ao se globalizar, requer das empresas cada vez mais eficiência em seus processos, administrando com agilidade, reduzindo perdas, eliminando erros, integrando dados e disponibilizando informações gerenciais de forma objetiva e dinâmica. Daí a importância da questão da otimização do processo na fabricação de açúcar. O Brasil é o maior produtor mundial de açúcar de cana-de-açúcar. Nos últimos anos, a cultura da cana-de-açúcar aumentou e ganhou destaque na economia brasileira. A previsão da produção de cana-deaçúcar, para a safra 2008/2009, é de 558,72 milhões de toneladas, correspondendo a 11,4% a mais do que os na safra passada. Já a produção total de açúcar está estimada em 32,78 milhões de toneladas e representa um acréscimo em relação à safra passada de 4,81% (CONAB, 2009). O setor sucroalcooleiro nacional apresenta um dos maiores índices de perdas de industrialização, ficando atrás somente do setor de construção civil, onde o desperdício de material e retrabalho, ultrapassam a faixa dos 30% (JORNAL DA CANA, 2009). Considerando-se os preços médios da safra de 2006, uma redução de 1% nas perdas industriais representa um aumento no lucro de, aproximadamente, R$ 900 mil, em uma unidade que processa 1,5 milhões de t de cana com 14% de sacarose. Temos conhecimento e tecnologia para reduzir, em curto

2 prazo, as perdas médias nacionais em até cinco pontos percentuais, o que representaria uma economia nacional de mais R$ 750 milhões; em resumo, receber um "subsídio" de R$ 3 por tonelada de cana. (JORNAL DA CANA, 2009). A complexidade da produção do açúcar está no grande desafio de minimizar as perdas de processo e reduzir custos com a aplicação de alta tecnologia, seja nos processos produtivos ou seu controle e modelo de gestão. A cristalização aparece como a propulsora de uma perfeita recuperação da fábrica, além de propiciar açúcares uniformes e de boa qualidade. Uma boa cristalização resulta em açúcares uniformes e perfeitos. Os cristais com essas características permitem um melhor esgotamento do licor mãe e maiores velocidades de cozimento e resfriamento. Conseqüentemente, gera uma maior quantidade de açúcar. Permite ainda uma melhor centrifugação pela diminuição da viscosidade e aumento dos teores de cristais facilitando a lavagem e o escoamento do mel. Açúcares bem centrifugados permitem melhor secagem evitando empedramento em estocagens futuras e prolongadas. (JORNAL DA CANA, 2009). A compreensão dos fenômenos que ocorrem no processo de cristalização ajuda a otimização do processo, reduzindo o consumo energético e obtendo-se um produto de melhor qualidade. O objetivo deste estudo é relatar a importância da etapa de cristalização do açúcar e analisar a importância da administração de perdas durante essa etapa a fim de reduzir custos otimizando o processo de fabricação de açúcar. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Descrição do processo de produção do açúcar de cana-de-açúcar A cana-de-açúcar é uma planta originária do norte da Índia. É uma gramínea perene pertencente ao gênero Saccharum e família Poaceae (Gramineae). É uma cultura que produz, em curto período, um alto rendimento de matéria verde, energia e fibras, sendo considerada uma das plantas com maior eficiência fotossintética. A sacarose retirada da cana-de-açúcar é retirada do caule da planta, que é constituído de duas fases: fase sólida (fibra ou bagaço) e a fase líquida (caldo). 1 Através de um planejamento da área agrícola é montado um programa de corte baseado na maturação da cana. Dessa forma, é possível o fornecimento da cana ao longo da safra toda. O transporte da lavoura até a unidade industrial é feito por caminhões ou treminhões. A cana-deaçúcar é recebida na balança, pesada e passa por um controle de matéria prima através de amostragem. 1 A fase de preparo da cana tem como objetivo aumentar a capacidade de moagem, bem como realizar o máximo rompimento das células para liberação do caldo nelas contido, obtendo-se, portanto, uma maior extração. 1 Antes da moagem, a cana é lavada nas mesas alimentadoras para retirar a terra proveniente da lavoura. A mesa alimentadora recebe a cana diretamente dos caminhões, transferindo-as a uma esteira metálica que conduz a cana até a moenda. O pré-preparo que consiste em lavagem - efetuada sobre a mesa alimentadora e visa a retirada de matérias estranhas, como material fibroso, terra, pedras, cascalho, peças quebradas de maquinários, etc., com a finalidade de obtenção de um caldo de melhor qualidade e aumento da vida útil dos equipamentos pela redução do desgaste. Esta lavagem nunca é feita na cana picada, pois isto provocaria um arraste muito grande de sacarose pela água. Após a lavagem, a cana passa 1 Informação extraída de notas de aula da professora MS. Tereza Cristina Castilho Gorayeb do curso de pós-graduação em Gestão da Qualidade de Novas Tecnologias na indústria sucroalcooleira da união das Faculdades dos grandes Lagos-UNILAGO.

3 por picadores que trituram os colmos, preparando-a para a moagem. Neste processo as células da cana são abertas sem perda do caldo. 1 O picador é constituído por jogos de facas, que corta em pedaços menores, prepara e nivela a cana a ser enviada ao desfibrador. O desfibrador é formado por um tambor alimentador que compacta a cana à sua entrada, precedendo um rotor constituído por um conjunto de martelos oscilantes que gira em sentido contrário à esteira, forçando a passagem da cana por uma pequena abertura ao longo de uma placa desfibradora. 1 Após o sistema de preparo, a cana é uniformizada por um equipamento chamado espalhador, que se localiza no ponto de descarga da esteira metálica para uma correia transportadora de borracha. Esta correia trabalha com a finalidade de reduzir a espessura da camada de cana e facilitar o trabalho do eletroímã. Este realiza a operação de remoção de materiais ferrosos, protegendo os equipamentos de extração, mais especificamente os rolos da moenda. Em seguida é realizada a alimentação da moenda. 21 A cana que chega à unidade industrial é processada o mais rápido possível. Este sincronismo entre o corte, transporte e moagem, é muito importante, pois a cana é uma matéria prima sujeita a contaminações e conseqüentemente, de fácil deterioração. A moagem é um processo que consiste em extrair o caldo contido na cana. Um objetivo secundário da moagem, porém importantíssimo, é a produção de um bagaço final em condições de propiciar uma queima rápida nas caldeiras. Na primeira unidade de moagem (1 terno) ocorre a maior parte da extração. Como nos outros ternos será difícil conseguir uma extração eficiente, utiliza-se a embebição. Cada conjunto de rolos de moenda constitui um terno de moenda. O número de ternos utilizados no processo de moagem são seis. 1 Na moenda, a cana é exposta entre rolos submetidos a sucessivas pressões de, aproximadamente, 250 kg/cm², expulsando o caldo do interior das células. Este processo é repetido por seis vezes continuamente. Adiciona-se água numa proporção de 30%. A isto se chama embebição composta, que consiste em adicionar água entre os dois últimos ternos e fazer retornar o caldo extraído deste último para o anterior e assim sucessivamente até o segundo terno, cuja função é embeber o interior das células da cana diluindo o açúcar ali existente e com isso aumentando a eficiência da extração, conseguindo-se assim extrair cerca de 96% do açúcar contido na cana. 1 O caldo extraído (solução aquosa contendo sacarose, sais minerais, proteínas, carboidratos, etc.) vai para o processo de tratamento do caldo e o bagaço para as caldeiras. O caldo extraído na moenda, chamado de caldo misto, é um caldo impuro, sendo necessário passar, por um processo de clarificação, para retirada de sólidos em suspensão. O tratamento do caldo visa principalmente, à coagulação, à floculação e à precipitação destas impurezas, que são eliminadas por sedimentação. É necessário ainda fazer a correção do ph aumentando-o até um nível ótimo (ph= 6.5) para a formação de cristais, evitando assim inversão da sacarose na etapa da evaporação (ph baixo e alta temperatura). 1 No tratamento do caldo, este é caleado e sulfitado. Este processo é chamado de dosagem. A adição de enxofre e cal facilita a floculação das substâncias coloidais. No processo de calagem adiciona-se uma base, normalmente hidróxido de cálcio. É um processo contínuo, 3 realizado em tanques. O enxofre é adicionado ao caldo através do princípio de Venturi: o gás é adicionado quando ele passa por uma região de baixa pressão. 1 1 Informação extraída de notas de aula da professora MS. Tereza Cristina Castilho Gorayeb do curso de pós-graduação em Gestão da Qualidade de Novas Tecnologias na indústria sucroalcooleira da união das Faculdades dos grandes Lagos-UNILAGO. 1 Informação extraída de notas de aula da professora MS. Tereza Cristina Castilho Gorayeb do curso de pós-graduação em Gestão da Qualidade de Novas Tecnologias na indústria sucroalcooleira da união das Faculdades dos grandes Lagos-UNILAGO.

4 Após a dosagem, o caldo é aquecido por trocadores de calor, a aproximadamente 105ºC, com a finalidade de acelerar e facilitar a coagulação e floculação e acelerar as reações químicas, aumentando a eficiência da decantação. A sedimentação é a etapa de purificação do caldo pela remoção das impurezas floculadas, através dos tratamentos anteriores. Este processo é realizado de forma contínua, em um equipamento denominado decantador. O caldo decantado é retirado da parte superior de cada compartimento e enviado ao setor de evaporação para concentração. As impurezas sedimentadas, com uma concentração de sólidos, constituem o lodo que normalmente é retirado do decantador pelo fundo e enviado ao setor de filtração para recuperação do açúcar nele contido. 1 Como o lodo ainda é rico em sacarose, ele passa por uma filtração para retirar o material líquido chamado de caldo filtrado, que sofrerá novo tratamento de clarificação. O material sólido retido nas telas dos filtros é denominado de torta de filtro. Esta torta é misturada com as cinzas da caldeira e jogada na lavoura como adubo. 1 O caldo clarificado vem da seção de clarificação com 80% de água. Com o objetivo de cristalizar a sacarose é necessário saturar o caldo. Este procedimento é realizado através da evaporação. 1 O caldo clarificado vem com aproximadamente 15º Brix, entra em um conjunto de evaporadores de múltiplo efeito para a retirada de maior parte da água, e é concentrado até cerca de 65º Brix, tomando consistência de um xarope. Este xarope é bombeado aos tachos de cozimento para a cristalização do açúcar. Os evaporadores também produzem vapor, chamado de vapor vegetal, que é utilizado nos processos, e o condensado vai para caldeiras. O xarope é enviado para a fábrica de açúcar e é inicialmente depositado em um tanque, de onde é extraído continuamente para os cozedores a vácuo. 4 Operação que visa completar o processo de evaporação do caldo, concentrando o xarope produzido na seção de evaporação, até a formação da massa cozida. Nesta etapa os cristais são formados e aumentam de tamanho (ARAÚJO, 2003). Os tachos de cozimento A são equipamentos que continuam a evaporação do xarope, tornando o meio supersaturado e dando as condições necessárias à cristalização da sacarose. O produto obtido neste cozimento é a massa A. Esta massa A é uma mistura de cristais de açúcar e o seu correspondente licor-mãe (mel), de onde foi obtida a cristalização do açúcar. No cozimento B se formam os cristais para o cozimento A. Os tachos de cozimento B recebem o mel A e por um processo de nucleação, se produz pequenos cristais, de modo controlado e padronizado. Este processo é fundamental na qualidade do produto final, onde todos os cristais são induzidos a uma formação conjunta e uniforme, chamado de semeamento total. A massa B, da mesma forma que a massa A, é uma mistura de cristais de açúcar e o seu correspondente licor-mãe (mel), de onde foram obtidos os cristais. 1 Saindo dos cozedores, as massas são descarregadas nos cristalizadores, que nada mais são que tanques dotados de agitadores mecânicos para evitar incrustações e também auxiliar no resfriamento das massas. Eles funcionam como tanques pulmão que alimentam as centrífugas (ARAÚJO, 2003). Nesta etapa ocorre a separação da parte sólida das massas (cristais) da parte líquida (mel) (PAYNE, 1989). A massa A é um produto que contém cristais de aproximadamente 0,5 mm envolvidos numa película de mel. Na centrifugação ocorre a separação do mel, denominado mel A, que irá para os tachos de cozimento B, e o açúcar propriamente dito, é enviado ao secador de açúcar. 5 4 Informação extraída de notas de aula da professora MS. Tereza Cristina Castilho Gorayeb do curso de pós-graduação em Gestão da Qualidade de Novas Tecnologias na indústria sucroalcooleira da união das Faculdades dos grandes Lagos-UNILAGO.

5 A massa B é um produto que contém cristais de aproximadamente 0,2 mm e melaço. Na centrifugação, os cristais são separados do mel B (ou melaço) onde o magma (cristais de açúcar B) será utilizado como núcleo para o cozimento A e o melaço é enviado para a fabricação do álcool. 6 Após a centrifugação, o açúcar produzido passa por um processo de secagem, onde o açúcar é seco para retirada da umidade contida nos cristais. Na saída do secador, é resfriado e enviado por esteiras até a moega de açúcar (reservatório próprio para açúcar), de onde é feito o ensacamento. O açúcar, após passar pela secagem, segue para o setor de envase Processo de cristalização O processo de cristalização se inicia na etapa do cozimento. Nesta etapa os cristais de sacarose são formados e aumentam de tamanho. O processo físico envolvido é a saturação onde se realiza a retirada do xarope até que a quantidade de sacarose presente não seja mais solúvel no mesmo e, cristaliza-se (PAYNE, 1989). Dependendo da temperatura e concentração de soluções de sacarose, podem ser identificadas quatro regiões distintas, mostradas na Figura 1. Curva de Saturação Curva de super saturação A - Solução Insaturada B - Solução Saturada FIGURA 1: Diagrama de MULLIN. Fonte: PAYNE (1989). Para uma determinada temperatura, abaixo da curva de equilíbrio, toda a sacarose presente no xarope está dissolvida, sendo ainda possível a dissolução de mais sacarose até que se atinja o ponto de saturação. Segundo Payne (1989) a cristalização é uma importante operação de separação, na qual o produto é obtido de uma solução que apresenta alto grau de pureza. Para que ocorra a cristalização a partir de um soluto, é necessário que haja três fatores, que são: supersaturação, formação de um núcleo cristalino e o 5 Informação extraída de notas de aula da professora MS. Tereza Cristina Castilho Gorayeb do curso de pós-graduação em Gestão da Qualidade de Novas Tecnologias na indústria sucroalcooleira da união das Faculdades dos grandes Lagos-UNILAGO. 6 Informação extraída de notas de aula da professora MS. Ricardo Benedetti do curso de pós-graduação em Gestão da Qualidade de Novas Tecnologias na indústria sucroalcooleira da união das Faculdades dos grandes Lagos-UNILAGO.

6 crescimento do cristal. A supersaturação é o potencial ou força motriz do fenômeno da cristalização em soluções. Através do diagrama de solubilidade-supersolubilidade mostrado na Figura 1, ocorre a existência de três regiões, sendo que a curva de saturação, divisória de duas dessas regiões, nem sempre é bem definida podendo ser uma faixa. A zona estável é caracterizada pelo fato da solução estar em estado insaturado e nela é impossível a ocorrência de cristalização. Na região meta-estável, compreendida entre a curva de solubilidade (curva de saturação) e supersolubilidade (curva de supersaturação), a ocorrência da cristalização de forma espontânea é pouco provável. Nesta região, cristais existentes na solução ou sementes (que são porções diminutas do soluto em fase sólida) sofrem evoluções direcionadas para o crescimento. Na região instável ou lábil, a nucleação ocorre espontaneamente e cristais e sementes aumentam de tamanho, porém existe uma competição destes com os pequenos cristais oriundos, dos núcleos, na incorporação de soluto (PAYNE, 1989). A supersaturação é um estado de desequilíbrio que não necessariamente provoca a precipitação espontânea de soluto. Na supersaturação, a solução possui soluto numa quantidade superior à sua máxima concentração possível de dissolução (ARAÚJO, 2003). De acordo com Araújo (2003), o melhor método para a indução de cristalização é a adição de sementes a uma solução supersaturada. Este método é empregado na cristalização industrial, para o controle da distribuição de tamanho dos cristais produzidos. As sementes são cristais de sacarose que vão crescer e dar origem ao açúcar cristal. A semente é obtida moendo-se cristais de sacarose juntamente com álcool e glicerina por longos períodos (ARAÚJO, 2003). A nucleação pode ocorrer espontaneamente ou ser induzidas artificialmente. O controle desse processo é de fundamental importância nos processos de cristalização, pois nesta etapa pode ocorrer a produção de partículas muito pequenas, que competem com os cristais e podem influenciar o tamanho final dos cristais, a distribuição granulométrica, a pureza, o rendimento do produto final e o processo de centrifugação. A dimensão do cristal formado ao longo de um processo de cristalização depende da velocidade com que este cresce, e o tempo disponível para ele crescer (ARAÚJO, 2003). A adição de sementes sobre as quais se deposita o soluto durante a cristalização é associada com o desempenho dos cristalizadores em batelada. Existe um limite para a quantidade de sementes adicionadas. Quando se adiciona uma quantidade inferior desse limite, o tamanho médio do cristal irá decrescer devido à ocorrência de nucleação. Quando uma quantidade superior ao limite for adicionada, o tamanho do cristal será menor devido a competição de incorporação do soluto pela grande população de cristais (NYVLT, 1982). A semeadura deve ser efetuada ao alcançar a supersaturação suficiente para operar na região meta-estável, para evitar a dissolução das sementes e a nucleação primária, o que prejudica o desenvolvimento dos cristais. O tamanho médio das sementes preparadas por este método é de 4.5 µm e trabalha-se com coeficiente de supersaturação, para adição das sementes, entre 1.25 e 1.40 (ARAÚJO, 2003). A etapa de cristalização compreende duas fases: inicial e final. A etapa inicial é denominada de granagem, formação de pé ou simplesmente nucleação. Nesta fase ocorre a obtenção dos cristais, compreendendo desde a entrada de xarope nos cozedores até o aparecimento dos minúsculos cristais de sacarose. A fase final é a fase do crescimento dos cristais formados inicialmente. A sacarose do xarope e dos méis adicionados vai se cristalizando por deposição nos núcleos iniciais (PAYNE, 1989). Conforme relata Payne (1989), na produção de cristais de açúcar de tamanho comercial e relativamente uniformes, faz-se uso da propriedade da sacarose de formar soluções supersaturadas extraordinariamente estáveis. Isto reflete a resistência das soluções concentradas de sacarose em

7 desenvolver núcleos de cristal, o que se torna possível estabelecendo-se um grau fixo de supersaturação num pé de um licor açucarado. A seguir, um número pré-determinado de núcleos ou cristais-semente pode ser adicionado; mantendo-se supersaturação relativamente constante pela alimentação simultânea do licor açucarado e pela evaporação, pode-se desenvolver cristais do tamanho médio desejado. A operação dos tachos é normalmente conduzida a um vácuo constante e padrão da ordem de 63 cm Hg (pressão absoluta de 13 cm Hg) (PAYNE, 1989). As massas cozidas A são iniciadas com um pé de xarope. A pureza do xarope varia ao longo do tempo, ficando na faixa de 80 a 90 (pureza pol/brix refratométrico). Para se manter uma condição razoavelmente uniforme para o semeamento, convém estabelecer uma pureza padrão para a carga de granagem, condição esta que possa ser mantida a maior parte do tempo. Um valor razoável na maioria dos lugares é 85. No caso de haver xarope com pureza mais alta, o mel A é adicionado ao pé de granagem. Por outro lado, se a pureza do xarope for menor que 85 nada pode ser feito, a não ser ajustar o procedimento de granagem (PAYNE, 1989). A seguir, o pé é concentrado até uma supersaturação ótima para a formação de grãos. O grau de supersaturação pode ser medido apenas por via indireta, entre eles, através do brix (teor de sólidos solúveis) e através da viscosidade. Este último tem uma séria desvantagem: a viscosidade é aumentada consideravelmente com pequenas quantidades de dextranas e gomas e, assim, uma falsa indicação de supersaturação é dada quando cana deteriorada estiver em processamento. Além do controle da supersaturação, é importante ter controle automático de pressão absoluta, para se manter a temperatura (PAYNE, 1989). O autor acima relata que a supersaturação no ponto de semeamento para uma pureza de 85 não deve exceder de 1,15, para ficar numa zona segura quanto ao aparecimento de nucleação espontânea. Isto corresponde a cerca de 80º Brix. Nesta leitura, é adicionada a semente para granagem. Esta é preparada pela moagem de um açúcar de boa qualidade em álcool isopropílico, num moinho de bolas, até um tamanho uniforme. Depois do semeamento, o vapor de aquecimento deve ser fechado até que os cristais estejam estabelecidos. Tal fase dura cerca de 5 minutos, o que permite que os cristais introduzidos atinjam um tamanho tal que tenham superfície suficiente para absorver a sacarose, introduzida quando a alimentação do xarope é iniciada. Depois deste período de espera, o vapor é novamente aberto de modo gradual. Neste ponto, pode-se introduzir água por um breve período, para impedir que a supersaturação aumente demais. Quando os cristais crescerem até um tamanho em que aparentem estarem próximos uns dos outros, pode ser iniciada a alimentação automática do xarope. Este é um período crítico. A alimentação não deve ser forçada além do ritmo em que os cristais possam aceitar a sacarose, pois, caso contrário, novos cristais podem aparecer (PAYNE, 1989). A alimentação prossegue até que o tacho de cozimento esteja cheio (1,5 m acima do espelho da calândria). A massa cozida é, então, cortada para outros tachos ou para um tanque de pé. Normalmente, na hora de descarregar o cozimento, o volume de massa cozida deve ser no mínimo, 8 vezes maior que o volume do pé de granagem, para dar cristais do tamanho padrão desejado. Quando o tamanho dos cristais estiver dentro do desejado, a alimentação é suspensa e a evaporação pode continuar até atingir o brix final da massa desejado para a centrifugação. O brix neste ponto é da ordem de 92,5%. A massa cozida deverá ter um conteúdo de cristais acima de 50%. Com uma queda de pureza ao redor de 20 pontos, o mel A, separado nas centrífugas, estará na faixa de 65 de pureza (PAYNE, 1989). A pureza em que a massa cozida B é feita depende da pureza do mel A. Com uma pureza do mel A ao redor de 65, a pureza da massa B fica em torno de 75. As operações de cozimento são similares às descritas para a massa A. A viscosidade é maior e a taxa de cristalização mais baixa; portanto, maior tempo

8 será necessário para o cozimento. Devido à menor pureza, o conteúdo de cristais será menor (40%). O grau brix no final do cozimento deve ser da ordem de 93º (PAYNE, 1989). É importante obter o maior rendimento possível em cada estágio do processo de cristalização. O rendimento é a porcentagem de sacarose na massa cozida na forma de cristais, como mostrado pela fórmula (Equação 1): Purezadamassa purezadomel Re n dim ento * Brix 100 purezadomel [Eq. 1] A pureza da massa menos a pureza do mel é chamada de queda de pureza no tacho de cozimento. Este dado é um valor normalmente observado para a comparação do trabalho de cozimento, mas o conteúdo de cristais constitui um valor mais conveniente devido à sensibilidade do rendimento aos níveis de pureza (PAYNE, 1989). Para uma operação eficiente, o tacho de cozimento deve ser projetado para ter boa circulação, o que é essencial para uma cristalização rápida e uniforme. A circulação, além do natural já existente, pode ser otimizada através do uso de agitadores mecânicos. A melhor localização é no centro inferior da calândria. A velocidade depende do diâmetro, mas deve ser baixa, da ordem de 40 rpm (PAYNE, 1989). Payne (1986) diz que a etapa final da recuperação do açúcar se faz por resfriamento em cristalizadores, ao invés de ser por evaporação nos tachos de cozimento. A razão para isto é que a taxa de cristalização se torna progressivamente mais baixa à medida que a pureza do mel cai. O procedimento de menor custo, portanto, consiste em cozinhar a massa de baixa pureza nos tachos de cozimento por tempo limitado e, em seguida, descarregá-ia para cristalizadores sob pressão atmosférica, onde o açúcar é deixado cristalizar lentamente, sem evaporação. Finalmente os cristais de açúcar são separados do melaço por centrifugação. Os dois tipos de centrífugas utilizadas são: bateladas e contínuas. No processo de centrifugação, a velocidade de remoção do mel é rápida no início e bastante baixa no fim, dependendo do tamanho dos cristais e da viscosidade do mel. Com cristais de tamanho uniforme a velocidade é proporcional a m 2 /n, onde m é o comprimento dos cristais e n a viscosidade do mel. A velocidade de remoção do mel, é menor em açúcares de cristais de tamanho não-uniforme devido ao efeito de enchimento. Em casos extremos, pequenos cristais podem bloquear quase totalmente a passagem do mel, deixando uma camada interna na massa sólida de açúcar (PAYNE, 1989). A lavagem da água é necessária para reduzir o filme de mel de modo a dar a pol desejada do açúcar. A eficácia da lavagem depende de vários fatores: do método de aplicação, qualidade do açúcar com respeito à distribuição e forma dos cristais, quantidade de água, temperatura e tempo de aplicação. A água deve ser distribuída uniformemente sobre a superfície do açúcar e estar em alta temperatura (75ºC ou mais); deverá ser aplicada antes que a centrífuga atinja velocidade máxima. Para o observador, trata-se do momento em que a face do açúcar no cesto começa a clarear à medida que o mel sai. A água então garantirá um fluxo do tipo tubuiar e lavagem uniforme. Se aplicada depois que os vazios estiverem presentes entre os cristais, a água buscará o caminho de menor resistência e deixará algum açúcar com excesso de lavagem e outra parte com pouca lavagem (PAYNE, 1989). A quantidade de água e o tempo de centrifugação são ajustados para dar a pol desejada. A produção de açúcar de alta pol (99,3 a 99,5) requer uma lavagem praticamente completa. Dois estágios de aplicação são eficientes neste caso: o primeiro como descrito acima, e o segundo logo que a centrífuga atinge velocidade máxima. A quantidade na segunda lavagem é ajustada para dar a pol requerida. A dupla lavagem também torna possível a separação do mel pobre do rico (PAYNE, 1989).

9 As centrífugas contínuas não se mostraram satisfatórias para o açúcar comercial devido à quebra de cristais e à dificuldade em se produzir açúcar uniforme de alta qualidade. É possível, no entanto, usar centrífugas contínuas para os açúcares intermediários que são refundidos (PAYNE, 1989). As centrífugas em bateladas geralmente são usadas para o açúcar comercial. Os tempos de cada etapa no ciclo devem ser ajustados para a característica física da massa cozida que, freqüentemente, varia em cada cozimento. Têm especial importância o tempo de aplicação e a quantidade de água, como mencionado acima. Também o tempo de secagem final deve ser ajustado para dar um açúcar com um fator de segurança próprio para a estocagem (PAYNE, 1989). Nas centrifugas contínuas somente dois controles são possíveis - tempo de centrifugação e temperatura da massa cozida. O tempo depende freqüentemente da disponibilidade de máquinas para processar o volume de massa cozida, e desta forma o tempo do ciclo é ajustado em concordância com este aspecto. A massa deve entrar na centrífuga a urna temperatura próxima à saturação. As centrífugas devem estar sempre fechadas para diminuir a entrada de ar e manter a temperatura. Embora o vapor seja, algumas vezes, introduzido no lado de fora do cesto, isto não é recomendado devido à possibilidade de danos à centrífuga (PAYNE, 1989). 2.3 Perdas no processamento da cana para a produção de açúcar De acordo com Silva (2002) a eliminação de perdas é a base de uma estratégia de produção que possa assegurar uma posição competitiva da indústria no mercado. E a eliminação de perdas é um dos modos aceitáveis de reduzir custos. O autor define perdas como sendo obstáculos que impedem a plena eficiência da produção industrial. As perdas podem ser divididas em: perdas determinadas e indeterminadas. a) Perdas determinadas São as identificadas, determinadas e monitoradas. Segundo Lopes (2009) elas referem-se à eficiência de uma determinada operação do processo. b) Perdas indeterminadas Perdas indeterminadas: perdas de ART de difícil determinação e localização, mas que, segundo Bayma (1974), podem ser medidas, de maneira global, pela diferença entre o ART que entrou na usina, os produtos e as perdas cujos valores e localização são conhecidos. A maior causa das perdas indeterminadas no processamento da cana é por inversão da sacarose pela ação do calor ou do meio alcalino. De acordo com Lopes (2009) as perdas determinadas correspondem a 7,8 a 10% e as perdas indeterminadas correspondem a 1.1 a 2.9 do total. Existem três tipos de perdas no processamento da cana-de-açúcar Lopes (2009): i) Perdas físicas: perdas determinadas, como no bagaço, na torta e na vinhaça; ii) Perdas químicas: inversão da sacarose e transformação da glicose e frutose em ácido, glicerol, etc.; iii) Perdas microbiológicas: causada pela ação de bactérias que consomem açúcar para gerar ácidos, dextrana, etc. As perdas de açúcar em cada fase do processo são monitoradas através do balanço dos açúcares redutores totais (quantidade de açúcar total: sacarose, frutose e glucose existentes na cana, em porcentagem). Elas são medidas em porcentagem, em relação ao total de açúcar que entra. A quantidade de cana pesada e o ART medido são as variáveis que fornecem a quantidade de açúcar que entrou na usina (MINERVA, 2009). Até a descarga, incidem como perda indeterminadas aquelas derivadas da queda de cana e pisoteio por caminhões e máquinas que operam no pátio de descarregamento, esmagamento em garras e cabos

10 dos equipamentos de descarga e perda por decomposição da sacarose devido ao tempo de espera (MINERVA, 2009). A perda significativa e conhecida nessa fase é aquela que ocorre no processo de limpeza da cana, processo este necessário quando a quantidade de impurezas minerais carregadas junto com a cana atinge valor prejudicial ao processo de fabricação (MINERVA,2009). Minerva (2009) realizou um estudo onde relatou que na fase de extração, as perdas determinadas são resultantes da incapacidade da moenda em extrair o total de açúcar da cana, e a perda indeterminada, resultante de decomposição da sacarose, atividade microbiológica e vazamentos em geral. Na clarificação do caldo, as perdas de açúcar envolvidas estão relacionadas ao arraste pela torta de filtro e pela perda indeterminada que tem origem nas mesmas causas da evaporação (MINERVA, 2009). Nas fases de cozimento, cristalização, centrifugação e secagem a perda de açúcar envolvida nesta fase é semelhante àquelas que ocorrem na evaporação, ou seja: perdas indeterminadas por decomposição da sacarose devido a temperaturas elevadas e as perdas por arraste no multijato. Nesta fase, porém, outra perda significativa e que normalmente é incluída nas indeterminadas, devido à sua difícil obtenção, é a perda que ocorre na operação de secagem (MINERVA, 2009). 2.4 Fatores que influenciam as perdas no processo de cristalização O fator dominante na tecnologia do cristalizador é a viscosidade, pois estabelece condições limitantes de trabalho de trabalho no processamento e no equipamento. Os parâmetros principais que podem ser controlados para manter a viscosidade dentro de uma faixa aceitável são o teor de sólidos solúveis (ºbrix) e a temperatura (ARAÚJO, 2003). A Viscosidade é a propriedade que se opõe ao movimento relativo de porções adjacentes de um líquido e pode ser vista como uma espécie de atrito interno. O mel final é uma mistura líquida de sacarose, água e compostos não-sacarose (glicose, frutose, dextrana, amido, etc.) e sua viscosidade está relacionada principalmente com a natureza e concentração de compostos não-sacarose, teor de sólidos totais e a temperatura (ARAÚJO, 2003). A viscosidade também influência consideravelmente a centrifugação das massas cozidas, sendo responsável pela maior ou menor separação dos méis nesta etapa de processo, além de modificar a capacidade das centrífugas. A presença de dextrana no processo de produção de açúcar acarreta perda de sacarose, alterações dos cristais, aumento da viscosidade nos xaropes e dificuldades na cristalização da sacarose. A dextrana, quando presente em nível de 300ppm, causa distorção na polarização do açúcar bruto, e causa problemas na refinação do açúcar. O nível de 400ppm de dextrana pode alterar a alongação do cristal açúcar refinado e aumento da viscosidade. Problemas na alongação do cristal açúcar bruto também pode ocorrer na presença de 600ppm de dextrana (CLARKE, 1997). Dextranas são polímeros de glicose produzidos a partir de sacarose principalmente por bactérias do gênero Leuconostoc. Dextranas apresentam peso molecular alto e ligações glicosídicas, principalmente, do tipo 1-6. A penetração de microrganismos no colmo, através de rachaduras, contamina a cana formando dextranas, cuja presença afeta a qualidade do açúcar e a eficiência industrial. Ocorre perda de sacarose, aumento da viscosidade do caldo e dificuldade de filtração no processo industrial (OLIVEIRA et al., 2002). As dextranas são formadas quando a cana é contaminada antes mesmo do corte, através de rachaduras no colmo, que permitem a penetração de microrganismos que deterioram a cana em função do tempo decorrido entre a queima, o corte e a moagem (ALVAREZ; CARDENTY, 1998). Lopes (2009) relata que para o controle do processo em função da eficiência do processo e da qualidade, a direção da empresa dispõe de dois recursos: parâmetros analisados no decorrer do processo

11 (temperatura, vazão, pressão, etc.) e dados analíticos obtidos através de análises laboratoriais das amostras coletadas no decorrer do processo. O grupo responsável faz parte do controle de qualidade. Uma das maneiras de controle das perdas existentes no processo de produção de açúcar são as análises realizadas pelo controle de processos. Estas análises são realizadas para quantificar o percentual de açúcar não redutor (sacarose), redutores (glicose e frutose) e açúcares redutores totais (ou invertidos). A sacarose é o açúcar que se cristaliza, portanto, de fundamental importância para este processo. Os parâmetros responsáveis pelo rendimento do processo são solubilidade da sacarose, temperatura do processo, velocidade de cristalização e a viscosidade da massa. A solubilidade da sacarose depende da quantidade de impurezas presentes. À medida que aumenta a presença de sais minerais aumenta a solubilidade. A presença dos açúcares invertidos (glicose e frutose) diminui a solubilidade. 37 A temperatura tem um efeito significativo no processo. À medida que aumenta a temperatura do processo de cristalização aumenta a solubilidade da sacarose. A velocidade de cristalização pode ser influenciada por: - Pureza do licor mãe. Quanto maior a pureza maior a cristalização. 3 - Temperatura: o aumento da temperatura aumenta a velocidade de cristalização e diminui a viscosidade. Entretanto, um aumento elevado na temperatura pode aumentar a cor do cristal. 3 A principal perda de açúcar na fabricação é aquela retida no mel final (melaço). À medida que ocorre a cristalização do açúcar do mel final, a taxa de cristalização torna-se cada vez mais baixa até finalmente atingir um ponto, em que não se pode mais cristalizar a sacarose a uma dada temperatura. O melaço é dito, então, esgotado. A pureza do melaço esgotado depende principalmente do conteúdo de água. Para um mesmo conteúdo de água, a natureza e a quantidade de constituintes que não são sacarose, oriundos da cana governam a pureza. Embora todos os constituintes exerçam certa influência, somente aqueles presentes em grandes quantidades têm um efeito maior. Destes, os açúcares redutores e cinzas são preponderantes (PAYNE, 1989). Estes dois componentes exercem efeitos opostos na retenção da sacarose. Os açúcares redutores, em essência, tomam o lugar da sacarose, de tal modo que, quanto mais açúcares redutores presentes, menos sacarose será retida. Portanto, quanto maior a porcentagem de açúcares redutores, menor a pureza do melaço esgotado a um dado teor de água. Por outro lado, cinzas em geral, e cloreto de potássio (o principal constituinte das cinzas) em particular, tendem a aumentar a solubilidade da sacarose dando uma pureza maior do mel esgotado. 1.5 Fatores de recuperação da sacarose A quantidade de sacarose que é possível recuperar em açúcar, em relação à quantidade presente no caldo, é governada pela pureza do caldo e pureza do melaço. A correlação é mostrada na Equação 2: A*( C M ) Recuperaçãoteórica(%) [Eq. 2] C *( A M ) Onde: A =pureza do açúcar; C = pureza do caldo M = pureza do melaço. 3 Informação extraída de notas de aula do professor Paulo Rubens do curso de Pós-graduação em Gestão da Qualidade de Novas Tecnologias na Indústria Sucroalcooleira.

12 Segundo Payne (1986) a recuperação real será menor que a teórica devido às conhecidas perdas na torta de filtro e às perdas indeterminadas. Elas incluem as perdas mecânicas e a decomposição química da sacarose no processamento. A pureza do caldo influencia muito mais no cálculo da recuperação do que a pureza melaço. A recuperação efetiva também é influenciada pela qualidade do caldo processado. Substâncias prejudiciais exercem uma influência não somente na pureza do melaço esgotado, mas, também na taxa de cristalização e na capacidade de manuseio das massas cozidas. A taxa de cristalização da sacarose decresce com a redução da relação substâncias redutoras/cinzas. Na maioria dos casos, isso é causado por um aumento no conteúdo de sais, notadamente o cloreto de potássio. Em geral, cana plantada em áreas baixas na costa marítima dá caldos com baixa relação redutores/cinzas, difíceis de processar. Em razão da presença de sais podemos correlacionar a qualidade do caldo com sua condutividade elétrica. Caldos com a relação redutores/cinzas acima de 1,50 são, geralmente, fáceis de processar e aqueles abaixo de 1,0 são difíceis. Ao se processar um caldo com baixa relação, não há outra alternativa senão levar um tempo maior no cozimento e deixá-io mais tempo nos cristalizadores (PAYNE, 1989). Caldo de cana deteriorada resultaram, com já visto, em cristais alongados. Sabe-se que esta forma de cristal é causada por alguns oligossacarídeos (dextranas), produzidos pelo crescimento de microrganismos ácidos. Estas substâncias se concentram em faces específicas do cristal de sacarose inibindo o depósito de sacarose, e então somente a face não afetada cresce. Uma face do cristal com crescimento lento tende a aumentar em tamanho. Uma face com crescimento rápido decrescerá em tamanho e pode desaparecer, dando origem a cristais em forma de agulhas ou triângulos (PAYNE, 1989). Como o crescimento em cristais alongados é limitado em algumas faces, a taxa de cristalização diminui, tornando necessário um tempo maior para obter o rendimento de cristais desejado. Do mesmo modo, a viscosidade do melaço de cana deteriorada é geralmente maior. A combinação destes fatores resulta em dificuldades nos cozimentos e num desempenho pobre dos cristalizadores e centrífugas, afetando a moagem e a recuperação. Como ocorre em muitas usinas o material é processado com a mesma velocidade, entretanto, a recuperação é menor (PAYNE, 1989). Alto conteúdo de substâncias precipitáveis pelo álcool é um fator normalmente associado com cana deteriorada. O xarope e melaço de tais canas têm alta viscosidade. Uma vez que as massas cozidas não podem ser concentradas a alto brix, a recuperação é menor. De acordo com Paye (1989) a recuperação é mais baixa, pois é preferível operar os tachos de cozimento e cristalizadores a temperaturas mais altas, do que reduzir a viscosidade. 3 METOLOGIA Foi realizada extensa revisão bibliográfica sobre o tópico, sendo selecionado material oriundo de livros-texto, teses, publicações de organismos nacionais e internacionais e artigos publicados selecionados a partir de pesquisa na base de dados SCIELO referente ao período de 1998 a 2003, utilizando as palavraschave: açúcar; cristalização; perdas; recuperação de sacarose. 4 CONCLUSÃO

13 A etapa de cristalização é de fundamental importância para a produção de açúcar cristal comercial. Etapas anteriores são decisivas para este processo. A cristalização interfere na qualidade do açúcar e é uma etapa de final de recuperação das perdas de sacarose. Este processo exige um controle principalmente, da temperatura da massa que pode afetar a solubilidade da sacarose e a viscosidade da massa, parâmetros importantes, na eficiência da produção do açúcar cristal. O conhecimento desta operação conduz a um processo eficiente e padronizado do açúcar cristal. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALCOOLBRAS. A um clique da competitividade Disponível em: 12 de março de ALVAREZ, F. J.; CARDENTY, C. Pratical aspects of the control of dextran at Atlantic Sugar Association. Int. Journal Sugar, v.90, n.1078, p , ARAÚJO, B. M. M. Influência de impurezas na cinética de cristalização de sacarose avaliada através da reologia de solução de sacarose p. Dissertação de mestrado em Engenharia de Alimentos. Universidade Estadual Paulista UNESP. BAYMA C.Tecnologia do açúcar: da matéria prima à evaporação. Rio de Janeiro: Instituto do açúcar e do álcool, CLARKE, A.M. Dextrana en los ingenios azucares: presencia y control. Sugar y Azucar, p.38-45, Nov., CONAB (2009) Acompanhamento da safra brasileira. Disponível em: Acesso em: 8 de março de LOPES (2009) Balanços de massa e energia em usinas e destilarias Acesso em: 7 de março de NÝVLT, J. Industrial crystalllization The state of the art. 2 ed. Weinheim: Verlag Chemie, SILVA, E. D. Automação e a eliminação de perdas: a base para uma estratégia de produção para assegurar uma posição competitiva na indústria. 191 p. Dissertação (Mestrado profissionalizante em Engenharia). Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, OLIVEIRA, A. S.; RINALDI, D. A.; TAMANINI, C.; VOLL, C. E; HAULY, M. C. O. Fatores que Interferem na Produção de Dextrana por microrganismos Contaminantes da Cana-de-Açúcar. Semina: Ciências Exatas e Tecnológica, Londrina, v. 23, n. 1, p , dez, PAYNE, J. H. Operações unitárias na produção de açúcar de cana. São Paulo: Nobel, 1989, 245.