Tecnologia de Produção de Açúcar de Cana

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1 Coleção UAB UFSCar Tecnologia Sucroalcooleira Cláudio Hartkopf Lopes (Organizador) Tecnologia de Produção de Açúcar de Cana

2 Tecnologia de Produção de Açúcar de Cana

3 Reitor Targino de Araújo Filho Vice-Reitor Pedro Manoel Galetti Junior Pró-Reitora de Graduação Emília Freitas de Lima Secretária de Educação a Distância - SEaD Aline Maria de Medeiros Rodrigues Reali Coordenação UAB-UFSCar Claudia Raimundo Reyes Daniel Mill Denise Abreu-e-Lima Joice Otsuka Marcia Rozenfeld G. de Oliveira Sandra Abib Coordenador do Curso de Tecnologia Sucroalcooleira Miguel Antonio Bueno da Costa Conselho Editorial José Eduardo dos Santos José Renato Coury Nivaldo Nale Paulo Reali Nunes Oswaldo Mário Serra Truzzi (Presidente) Secretária Executiva Fernanda do Nascimento UAB-UFSCar Universidade Federal de São Carlos Rodovia Washington Luís, km São Carlos, SP, Brasil Telefax (16) uab@ufscar.br EdUFSCar Universidade Federal de São Carlos Rodovia Washington Luís, km São Carlos, SP, Brasil Telefax (16) edufscar@ufscar.br

4 Cláudio Hartkopf Lopes (Organizador) Tecnologia de Produção de Açúcar de Cana 2013

5 2011, dos autores Supervisão Douglas Henrique Perez Pino Assistente Editorial Letícia Moreira Clares Equipe de Revisão Linguística Bruna Stephani Sanches Grassi Daniel William Ferreira de Camargo Daniela Silva Guanais Costa Francimeire Leme Coelho Jorge Ialanji Filholini Lorena Gobbi Ismael Luciana Rugoni Sousa Marcela Luisa Moreti Paula Sayuri Yanagiwara Priscilla Del Fiori Rebeca Aparecida Mega Sara Naime Vidal Vital Equipe de Editoração Eletrônica Edson Francisco Rother Filho Izis Cavalcanti Equipe de Ilustração Eid Buzalaf Jorge Luís Alves de Oliveira Nicole Santaella Priscila Martins de Alexandre Capa e Projeto Gráfico Luís Gustavo Sousa Sguissardi Ficha catalográfica elaborada pelo DePT da Biblioteca Comunitária da UFSCar T255t Tecnologia de produção de açúcar de cana / organizador: Cláudio Hartkopf Lopes. São Carlos : EdUFSCar, p. (Coleção UAB-UFSCar). ISBN Agroindústria canavieira. 2. Produção de açúcar. 3. Tecnologia açucareira. 4. Cana-de-açúcar - industrialização. I. Título. CDD: (20 a ) CDU: Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta obra pode ser reproduzida ou transmitida por qualquer forma e/ou quaisquer meios (eletrônicos ou mecânicos, incluindo fotocópia e gravação) ou arquivada em qualquer sistema de banco de dados sem permissão escrita do titular do direito autoral.

6 SUMÁRIO APRESENTAÇÃO...15 UNIDADE 1: Aspectos gerais, produção, mercado etc. 1.1 Açúcares Origem dos açúcares Glicose e frutose Sacarose Açúcar nos alimentos Edulcorantes Produção e mercado de açúcar e álcool Indústria açucareira no Brasil Referência...28 UNIDADE 2: Cana-de-açúcar 2.1 Produção de açúcar e álcool Grandezas e medidas utilizadas no setor açucareiro Polarização ou Pol Densidade e sólidos totais...34

7 2.5 Determinação do Brix de uma solução Pureza de uma solução açucarada Açúcares redutores Açúcares redutores totais Cana-de-açúcar Colheita da cana Composição da cana Curva de maturação da cana Deterioração da cana Deterioração microbiológica Impurezas da cana Cana colhida em toletes Pagamento da cana pelo teor de sacarose e pureza (PCTS) Amostragem da cana para o PCTS Análise da cana para o PCTS Açúcares totais recuperáveis Qualidade da cana para a sua industrialização Referências...52

8 UNIDADE 3: Recepção e preparo da cana 3.1 Introdução Descarregamento da cana Armazenagem da cana Deterioração da cana-de-açúcar Mesa alimentadora Lavagem de cana Lavagem na mesa Limpeza da cana a seco Tratamento da água de lavagem de cana Esteira de cana Preparo da cana Índice de preparo da cana Referências...71 UNIDADE 4: Extração da sacarose moendas e difusores 4.1 Introdução Moenda de três rolos Rolos ou cilindros Bagaceira...76

9 4.5 Conjunto de moagem Pressão na moenda Pressão hidráulica Acumuladores aero-hidráulicos Pressão hidráulica específica Velocidade dos rolos da moenda Extração Embebição Capacidade das moendas Teor de fibra na cana Dimensão e velocidade de rotação dos rolos Número de ternos da moenda Características do preparo da cana Consumo de potência e acionamento Extração por difusor Referência...92 UNIDADE 5: Tratamento do caldo Parte Introdução Tipos de tratamento do caldo...95

10 5.3 Tratamento preliminar do caldo Decantadores Hidrociclones Peneira de rastelos (cush-cush) Peneira estática Peneira vibratória Peneira rotativa Tratamento físico-químico do caldo Sulfitação Forno de enxofre Absorção dos gases Caleagem Óxido de cálcio ou cal Hidróxido de cálcio Calcário dolomítico Aquecimento do caldo Superfície de aquecimento Coeficiente de transferência de calor (k) Incrustações...109

11 5.22 Tipos de aquecedor Calor específico do caldo Calor perdido Isolantes térmicos Dimensionamento dos aquecedores Perda de carga Exemplo de cálculo Referências UNIDADE 6: Tratamento do caldo Parte Decantação do caldo Objetivos da decantação Causas de uma clarificação desfavorável Mecanismo da sedimentação Efeitos práticos da clarificação Perdas de açúcar no decantador Paradas para limpeza Decantador contínuo Decantadores rápidos Lodo...121

12 6.11 Balão de flash Tempo de retenção num decantador Separação do material insolúvel do lodo Filtro rotativo a vácuo Torta do filtro Superfície filtrante Bagacinho Retenção de insolúveis no filtro Prensa desaguadora Outros reagentes utilizados no tratamento do caldo Remoção das impurezas do caldo Referência UNIDADE 7: Evaporação 7.1 Introdução Princípios da evaporação Elevação do ponto de ebulição durante a evaporação Consumo de vapor nos evaporadores Evaporação em múltiplo efeito Acessórios de uma evaporação...140

13 7.7 Separador de arraste Coeficientes de transmissão de calor Sangria de vapor num múltiplo efeito Incrustação nos evaporadores Controle da evaporação Xarope Referências UNIDADE 8: Cozimento 8.1 Introdução Cristalização Medida de supersaturação Cristalização da sacarose Conteúdo de cristais na massa cozida Tachos de cozimento Cozimento contínuo Condução do cozimento Sistema de cozimento Recuperação do cozimento Centrifugação (aspectos gerais)...163

14 8.12 Fundamentos da centrifugação Centrífugas descontínuas Centrífugas contínuas Problemas na cristalização Controle do cozimento Referências UNIDADE 9: Secagem e armazenagem de açúcar 9.1 Introdução Princípio de secagem Secadores Cálculos de um secador Armazenagem do açúcar Aglomeramento e empedramento Referências...181

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16 APRESENTAÇÃO A industrialização da cana-de-açúcar (saccharum officinarum) para produção do mais universal dos adoçantes, a sacarose cristalizada, é uma atividade que se iniciou na Ásia, mais precisamente na ilha de Java, no arquipélago da Indonésia. Da Indonésia a cana passou para a Índia, onde o açúcar (sacarose) recebeu seu nome, derivado do termo sarkara, da antiga língua sânscrito. Da Índia os persas trouxeram a cana para o ocidente, e os portugueses, no século XV, finalmente introduziram o seu cultivo no Brasil. A produção de açúcar em nosso país tomou rapidamente uma posição de relevância na economia nacional, tornando-se um dos nossos produtos mais exportados e de maior importância na economia. Essa posição tem se mantido ao longo dos séculos, sendo que, atualmente, quase metade da cana processada em nosso país é destinada à produção de açúcar, e a outra parte, destinada à produção de álcool ou aguardente de cana. A produção de açúcar tem se expandido nos últimos anos na mesma ordem de grandeza ou mais que a produção de álcool, gerando milhares de empregos, tanto no setor agrícola como industrial. Dessa forma, o setor se apresenta altamente carente de mão de obra especializada, principalmente para atender os requisitos de qualidade, cada vez mais rigorosos por parte dos compradores de açúcar. Este livro foi organizado com o objetivo de abordar o processo de fabricação de açúcar voltado para a tecnologia que se aplica em nosso país. Ele tem um caráter introdutório, ou seja, é destinado àquele estudante de curso técnico ou superior, que necessita iniciar seus conhecimentos em tecnologia açucareira. 15

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18 UNIDADE 1 Aspectos gerais, produção, mercado etc.

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20 1.1 Açúcares Os açúcares são compostos químicos ternários, ou seja, suas moléculas são formadas por átomos de carbono, oxigênio e hidrogênio. Pertencem à categoria dos glicídios, hidratos de carbono ou carboidratos, sendo que essas últimas denominações são devido à sua fórmula química bruta ser em geral Cn(H 2 O)m, em que n e m são números inteiros. Os açúcares são compostos sintetizados por organismos vivos, especialmente as plantas, e pertencem à categoria das funções mistas do tipo poliálcool aldeído ou poliálcool cetona, bem como os compostos que por hidrólise resultam nessas funções mistas. Os compostos do tipo poliálcool aldeído recebem a denominação aldose e os do tipo poliálcool cetona, cetose (ver Figura 1.1). A principal característica comercial da família química dos açúcares é que muitos de seus membros apresentam sabor doce e conferem esse sabor aos alimentos a que forem adicionados. Figura 1.1 Representação de moléculas de açúcares. Existem diversas formas de se classificar os açúcares, sendo a principal delas quanto à hidrólise, conforme descrito a seguir: monossacarídeos: são os glicídios que não sofrem hidrólise, ou seja, não se decompõem em moléculas menores por reação com a água. Exemplos: glicose, frutose, manose, galactose etc.; oligossacarídeos: são os glicídios que podem sofrer hidrólise se desdobrando em um pequeno número de monossacarídeos. Exemplos: sacarose, rafinose, lactose etc.; polissacarídeos: são os glicídios que sofrem hidrólise e produzem um número muito grande de monossacarídeos. Exemplos: amido, celulose etc. Os monossacarídeos podem também ser classificados pelo número de átomos de carbono que apresentam na molécula. Assim, uma aldose formada 19

21 por três carbonos será classificada como uma aldotriose, enquanto uma cetose com o mesmo número de carbonos será denominada cetotriose. Esse tipo de classificação dos carboidratos pode ser resumido da forma apresentada na Tabela 1.1. Tabela 1.1 Classificação dos glicídios quanto ao número de carbonos na cadeia. N o de átomos de carbono Aldose Cetose 3 Aldotriose Cetotriose 4 Aldotetrose Cetotetrose 5 Aldopentose Cetopentose 6 Aldoexose Cetoexose 1.2 Origem dos açúcares Como foi visto, os açúcares são também denominados carboidratos por apresentarem em sua composição elementar uma proporção entre as moléculas de carbono e as moléculas de água, que na forma mais simples seria CH 2 O. A síntese desses compostos pelas plantas verdes é realizada por meio de uma reação denominada fotossíntese, que ocorre entre a água e o gás carbônico (CO 2 ). A fotossíntese pode ser definida como sendo a redução do bióxido de carbono pelo hidrogênio da água, com desprendimento do oxigênio sob a forma de gás, sendo que essa reação ocorre pela absorção da luz solar, da seguinte forma: CO 2 + H 2 O + energia CH 2 O + O 2 De uma forma mais completa, podemos representar a fotossíntese em que seu produto seja o carboidrato aldoexose (glicose) como sendo: 6CO 2 + 6H 2 O + energia C 6 H 12 O 6 + 6O 2 As moléculas de carboidratos podem ser consideradas como acumuladoras de energia solar, sendo que, por exemplo, um mol de glicose apresenta um calor de combustão de 267 calorias. Essa energia pode ser recuperada quando o produto é ingerido, sendo ela utilizada pelo organismo. 1.3 Glicose e frutose 20 Da família dos carboidratos, as hexoses glicose (que é uma aldoexose) e frutose (que é uma cetoexose) são os membros mais conhecidos. A glicose é o açúcar encontrado de forma mais disseminada na natureza, apresentando- -se como cristais solúveis em água e de sabor doce. Encontra-se na forma livre

22 no mel de abelha, nos frutos, no sangue (na proporção de 0,1%) e no colmo da cana-de-açúcar em proporção ao redor de 0,2%, sendo também componente de muitos polissacarídeos como o amido, que por hidrólise resulta em moléculas de glicose: (C 6 H 10 O 5 )n + nh 2 O n C 6 H 12 O 6 Amido Água Glicose A frutose, cuja fórmula molecular é semelhante à glicose, corresponde a uma cetoexose de sabor doce que também se cristaliza, mas com dificuldade, formando cristais agulhados incolores, altamente solúveis em água. É encontrada livre no mel de abelha, em todas as frutas e também em alguns oligossacarídeos e polissacarídeos. É conhecida também pelo nome de levulose por ocorrer somente na forma levógira. 1.4 Sacarose Carboidrato sólido formado por cristais incolores solúveis em água e de sabor doce. É um dos mais importantes açúcares sob o ponto de vista comercial, sendo encontrada em inúmeros vegetais, especialmente na beterraba e na cana-de-açúcar. A sacarose é um dissacarídeo com fórmula molecular C 12 H 22 O 11, cuja molécula é formada pela condensação de uma molécula de glicose e uma de frutose, conforme a Figura 1.2. Figura 1.2 Molécula de sacarose. 21

23 A sacarose é uma molécula que, em solução, ao ser submetida a certas condições físico-químicas como alta temperatura e baixo ph, pode reagir com a água, hidrolisando-se e formando os monossacarídeos glicose e frutose: C 12 H 22 O 11 + H 2 O C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 Sacarose Água Glicose Frutose Por disporem de carbono assimétrico, os açúcares são compostos opticamente ativos, ou seja, provocam uma rotação no plano de uma luz polarizada, num ângulo que varia de produto para produto. A sacarose desvia o plano para a direita (dextrorrotatório) em 65,5 e a glicose em 52,5, enquanto a frutose desvia para a esquerda (levorrotatório) em 92. Na hidrólise da sacarose, o plano de desvio se inverte de dextrorrotatório para levorrotatório, que é a resultante da somatória dos desvios do produto da hidrólise, glicose e frutose. Devido a essa inversão do sentido da rotação, a reação de hidrólise da sacarose é conhecida como reação de inversão. 1.5 Açúcar nos alimentos Os carboidratos são um dos alimentos essenciais para uma alimentação balanceada, junto com as proteínas, sais minerais, vitaminas etc. Dessa forma, a principal função dos açúcares de maneira geral, e da sacarose de maneira particular, é nutricional. No entanto, esses compostos são adicionados aos alimentos para lhes conferir outras propriedades desejadas pelos consumidores. A principal função da sacarose nos alimentos industrializados, bem como da glicose e da frutose, é a de agente de sabor, pela sua característica de conferir sabor doce aos alimentos em que é adicionada. Os açúcares possuem também a função de atuarem como agente de escurecimento por participarem de reações que resultam em produtos escuros, das quais a principal é a conhecida reação de Maillard, que ocorre entre os glicídios e os aminoácidos, resultando numa família de compostos escuros denominados melanoidinas. Outra função dos açúcares nos alimentos é sua atuação na textura dos alimentos como agente formador de gomas. 22 Outra propriedade que torna os açúcares atraentes para as indústrias de alimentos é sua capacidade de retenção de umidade (higroscopicidade), deixando certos alimentos, como os bolos, mais úmidos e palatáveis. Na panificação, o açúcar aumenta a velocidade de fermentação, e por atuar aumentando a viscosidade do líquido em que é adicionado, é muito utilizado como espessante em produtos como leite condensado e xaropes.

24 1.6 Edulcorantes Todas as substâncias que conferem sabor doce aos alimentos que forem adicionados são consideradas edulcorantes. A partir disso, é possível concluir que os principais representantes dessa categoria são os açúcares. No entanto, existem muitos outros compostos químicos que também apresentam poder de adoçar, como sacarina, ciclamato, aspartame etc. Os edulcorantes podem ser classificados de diversas formas, por exemplo, naturais, como a sacarose e a glicose, e artificiais, como a sacarina e os ciclamatos. Outro critério de classificação é quanto ao seu poder calórico: a) calóricos como os açúcares, que ao serem metabolizados pelo organismo humano liberam aproximadamente 4 cal por grama; b)não calóricos como a maioria dos adoçantes sintéticos, cujo calor liberado em seu metabolismo é desprezível. O valor calórico de alguns dos principais edulcorantes relacionados, considerando quantos gramas de sacarose seriam necessários para gerarem o mesmo valor adoçante que um grama de sacarose, é dado na Tabela 1.2. Tabela 1.2 Poder edulcorante de alguns dos principais adoçantes. Edulcorante Poder adoçante Sacarose 1 Sacarina 300 Ciclamato 34 Frutose 1,15 Glicose 0,54 Esteviosídio 150 Aspartame 160 a Produção e mercado de açúcar e álcool O Brasil se situa entre os primeiros países do mundo quando o assunto é o setor canavieiro, destacando-se como o maior produtor mundial de cana-de- -açúcar, açúcar centrifugado e álcool. O Brasil produz em torno de um terço da cana-de-açúcar do mundo, ou seja, 423 milhões de toneladas, conforme pode ser visto na Tabela 1.3 safra (2009). 23

25 Tabela 1.3 Relação dos principais países produtores de cana-de-açúcar, áreas colhidas e produtividade. Produção de cana 1000 x t Área colhida 1000 x ha Produtividade t/ha 1. Brasil ,99 2. Índia ,49 3. China ,49 4. Paquistão ,86 5. México ,06 6. Tailândia ,80 7. Colômbia ,54 8. Austrália ,15 9. Indonésia , EUA ,85 Fonte: extraída de Brasil (2009). No âmbito nacional, a produção de cana-de-açúcar e de seus derivados ocorre em praticamente todos os estados que compõem a federação, mas com uma forte concentração no Estado de São Paulo, que produziu na safra 2005/ milhões de toneladas, ou seja, mais da metade da produção total, conforme pode ser visto na Tabela 1.4. Tabela 1.4 Produção de cana por estado, safra 2005/2006. Região Centro-Sul Estados Cana moída (t) Própria Fornecedores Total Espírito Santo , , ,0 Goiás , , ,0 Mato Grosso , , ,0 Mato Grosso do Sul , , ,0 Minas Gerais , , ,0 Paraná , , ,0 Rio de Janeiro , , ,0 Rio Grande do Sul , ,0 Santa Catarina São Paulo , , ,0 Subtotal , , ,0 24

26 Tabela 1.4 Continuação... Região Norte-Nordeste Estados Cana moída (t) Própria Fornecedores Total Alagoas , , ,0 Amazonas , ,0 Bahia , , ,0 Ceará , , ,0 Maranhão , , ,0 Pará , ,0 Paraíba , , ,0 Pernambuco , , ,0 Piauí , , ,0 Rio Grande do Norte , , ,0 Sergipe , , ,0 Tocantins , ,0 Subtotal , , ,0 Total , , ,0 Fonte: extraída de Brasil (2009). Tabela 1.5 Produção de álcool e açúcar por estado, safra 2005/2006. Região Centro-Sul Estados Álcool (m³) Açúcar (t) Anidro Hidratado Total Total Espírito Santo , , , ,0 Goiás , , , ,0 Mato Grosso , , , ,0 Mato Grosso do Sul , , , ,0 Minas Gerais , , , ,0 Paraná , , , ,0 Rio de Janeiro , , , ,0 Rio Grande do Sul , ,0 - Santa Catarina São Paulo , , , ,0 Subtotal , , , ,0 25

27 Tabela 1.5 Continuação... Região Norte-Nordeste Estados Álcool (m³) Açúcar (t) Anidro Hidratado Total Total Alagoas , , , ,0 Amazonas , , ,0 Bahia , , , ,0 Ceará , , ,0 Maranhão , , , ,0 Pará , , ,0 - Paraíba , , , ,0 Pernambuco , , , ,0 Piauí , , ,0 7,0 Rio Grande do Norte , , , ,0 Sergipe , , , ,0 Tocantins 4.108,00 110, ,0 - Subtotal , , , ,0 Total , , , ,0 Fonte: extraída de Brasil (2009). Com relação à produção de etanol, o Brasil também ocupa uma posição proeminente, sendo o segundo produtor mundial, atrás somente dos Estados Unidos, que têm um programa de álcool combustível bastante desenvolvido, utilizando o milho como matéria-prima. Brasil e Estados Unidos são responsáveis por, aproximadamente, 70% do álcool produzido no mundo. O restante é gerado na China, União Europeia, Índia, Rússia e em outros países, como pode ser visto na Tabela 1.6. Tabela 1.6 Principais produtores de etanol no mundo (em bilhões de litros). Produtor * EUA 18,5 54,1 Brasil 17,4 35,4 China 3,8 5,1 UE 3,1 6,0 Índia 2,0 2,1 Rússia 0,8 0,9 Tailândia 0,4 2,8 África do Sul 0,4 0,5 Colômbia 0,3 1,9 Ucrânia 0,3 0,3 Argentina 0,2 0,2 26 *Projeção.

28 1.8 Indústria açucareira no Brasil Apesar de ainda perdurarem algumas dúvidas quanto à data exata, sabe-se que poucas décadas após a descoberta do Brasil chegaram as primeiras mudas de cana-de-açúcar, dando início à cultura desta gramínea em nosso país. A cultura de cana-de-açúcar na Região Centro-Sul do país teve início nas vizinhanças da cidade de Santos no litoral paulista. Na Região Norte-Nordeste, o primeiro engenho foi edificado em 1535, onde hoje se localiza a cidade de Olinda, no Estado de Pernambuco. A partir de 1560, o grande crescimento da produção de açúcar do Brasil consolidou a posição de Portugal como o maior exportador mundial de açúcar, sendo que este domínio se estendeu pelos três séculos seguintes. No final do século XVII e início do século XVIII, a indústria açucareira teve um grande crescimento nas Antilhas (Jamaica, Cuba, República Dominicana etc.), o que resultou na lenta diminuição da participação da indústria açucareira brasileira no mercado mundial. No início do século XX, a produção açucareira do país estava quase confinada ao mercado interno, sofrendo uma grande crise que culminou com a intervenção governamental no setor, no início da década de 1930, criando-se uma série de mecanismos estatais de proteção do setor açucareiro. Como órgão federal agente da intervenção estatal, foi criado o Instituto do Açúcar e do Álcool (IAA) e em 1941 surgiu o Estatuto da Lavoura Canavieira, que regulava o fornecimento de cana, seu preço e uma série de normas que permitiram a modernização do setor. Na época de criação do IAA, a produção de açúcar se restringia à Região Nordeste do país, sendo que as regiões centro e sul eram abastecidas pela produção nordestina. Com a eclosão da Segunda Guerra Mundial, o transporte marítimo entre o nordeste e o sul foi interrompido, criando uma grave crise de abastecimento nos estados centrais e do sul do Brasil. Em decorrência, a indústria açucareira, principalmente do Estado de São Paulo, teve um rápido crescimento concomitante com as indústrias fornecedoras de máquinas e equipamentos. Com o fim da guerra em 1945, o Estado de São Paulo emergiu como um importante produtor de açúcar e álcool e também como fornecedor de equipamentos para outras regiões. Com a elevação dos preços do açúcar no mercado internacional, o setor açucareiro teve um novo salto, sendo que a produção de açúcar foi elevada de 5,4 para 11,4 milhões de toneladas. Em 1975, com a criação do Programa Nacional do Álcool pelo governo federal, o setor canavieiro brasileiro deu um novo salto produtivo, desta vez baseado no álcool combustível. A produção de etanol, que era ao redor de meio bilhão de litros em 1975, chegou a 3,7 bilhões em 1980 e, atualmente (2008), a produção de álcool se aproxima de 20 bilhões de litros. 27

29 1.9 Referência BRASIL. Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento. Balanço nacional de cana- -de-açúcar e agroenergia. Brasília: MAPA/SPAE, p. Disponível em: < wyiv80sq98yqq70oxym.pdf>. Acesso em: 18 jun

30 UNIDADE 2 Cana-de-açúcar

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32 2.1 Produção de açúcar e álcool A produção de açúcar sob a forma de sacarose cristalizada a partir da cana-de-açúcar é realizada pelas usinas de açúcar, cujo processo tecnológico é formado por uma sequência de operações industriais que resumidamente seriam: a)extrair a sacarose dos colmos de cana; b) purificar o caldo extraído; c) concentrar o caldo por evaporação e cristalizar a sacarose. Para a produção de álcool etílico, o processo de fabricação é acrescido da operação de fermentação, em que, por ação das leveduras, o caldo da cana ou o mel residual gerado na cristalização da sacarose é transformado em álcool, que é concentrado até o teor alcoólico desejado pelo processo de destilação. Apesar de o processo de fabricação ser simples, essas operações quando detalhadas mostram sua complexidade. Dependendo do tipo de açúcar a ser produzido, o processo pode sofrer grande variação no fluxograma industrial, conforme pode ser visto nos fluxogramas das figuras 2.1, 2.2 e 2.3. Figura 2.1 Fluxograma do processo de produção de açúcar cristal. 31

33 Figura 2.2 Fluxograma do processo de produção de álcool direto da cana. Figura 2.3 Fluxograma do processo de produção de açúcar cristal e álcool residual. 2.2 Grandezas e medidas utilizadas no setor açucareiro Na indústria açucareira, utilizam-se várias unidades de medida que são em muitos casos específicas do setor, sendo as principais a Polarização, utilizada para indicar o teor de sacarose aparente numa solução, e o Brix, utilizado para indicar o teor de sólidos dissolvidos. As principais unidades utilizadas serão descritas a seguir, pois seu conhecimento é imprescindível para o entendimento da tecnologia de fabricação do açúcar e do álcool. 2.3 Polarização ou Pol 32 Polarização ou de forma abreviada Pol é como se denomina a porcentagem em peso de sacarose aparente e sua determinação é baseada no desvio de uma luz polarizada proveniente de uma lâmpada de sódio ou de mercúrio, por substâncias opticamente ativas. Os açúcares são substâncias quirais, nos quais a molécula tem um átomo de carbono assimétrico, ou seja, está ligada a quatro grupos diferentes, provocando a rotação do plano de uma luz polarizada.

34 A rotação específica das substâncias opticamente ativas é uma constante físico-química, medida por um aparelho denominado polarímetro, um instrumento importante para a caracterização e quantificação de substâncias quirais como a sacarose. Um esquema bastante simplificado desse aparelho é apresentado na Figura 2.4. Figura 2.4 Representação simplificada de um polarímetro. Na luz natural, assim como na luz gerada pelo Sol, devido à fonte das ondas possuir um grande número de irradiadores, bem como de causalidades nos processos de emissão, as ondas são formadas por diversos planos de polarização espalhados em todos os ângulos possíveis. Essas ondas são chamadas de ondas naturais ou não polarizadas. Em contrapartida, dizemos que uma onda está polarizada quando oscila num só plano de vibração, chamado plano de polarização da onda. Na Figura 2.5 estão representadas de uma forma esquemática essas duas formas de manifestação luminosa. Figura 2.5 Representação esquemática de uma luz normal (a) e de uma luz polarizada (b). Existem processos que permitem separar determinados planos de vibração do feixe de ondas não polarizadas, sendo que isto é conseguido com um dispositivo denominado polarizador, que só permite a passagem das componentes paralelas ao seu eixo óptico dos planos de vibração das ondas incidentes. Uma grande variedade de polarizadores ópticos é comercializada. 33

35 Pela Figura 2.4, podemos observar que após a onda emergir do polarizador só existem as componentes paralelas ao seu eixo óptico, sendo eliminadas as componentes perpendiculares. A luz polarizada ao percorrer o material em análise sofre uma rotação, sendo que a magnitude desse desvio angular é determinada por um segundo polarizador denominado analisador. A análise da polarização de açúcar é realizada em um equipamento chamado sacarímetro, um polarímetro construído com uma escala que permite a leitura em graus sacarimétricos ao invés de graus angulares. A escala sacarimétrica, ou escala internacional de açúcar, é construída de forma que uma solução de 26,000 g de sacarose pura, dissolvida em água até um volume final de 100,000 ml, a 20 C, apresente o valor 100 na escala, sendo essa solução denominada solução normal. O ponto zero da escala sacarimétrica é o conferido pela água pura. A notação atual para a escala sacarimétrica é Z, mas em literatura técnica mais antiga pode-se encontrar a notação S. A rotação óptica da solução normal de sacarose, considerando um feixe de luz polarizada com o comprimento de onda da linha verde do isótopo 198 Hg (546,227 nm no vácuo), para um tubo polarimétrico com um comprimento de 200 mm, é de 40,777 angulares. No caso da luz amarela do sódio (589,44 nm no vácuo), o ponto 100 Z é no desvio angular de 34,626. Para sacarímetros que operam pelo sistema de cunha de quartzo, com o comprimento de onda de 587 nm, o ponto 100 Z para a solução normal é de 34,934 angulares. Não deve ser esquecido que a rotação óptica de uma solução é a soma algébrica da rotação de todos os componentes opticamente ativos presentes na solução, e não da sacarose somente. Dessa forma, para as soluções reais, que não são compostas somente de sacarose, deve-se considerar a Pol como sendo o teor de sacarose aparente. 2.4 Densidade e sólidos totais Outro parâmetro muito importante para o controle da matéria-prima e do processo de produção de açúcar e do álcool é o teor de sólidos dissolvidos numa solução açucarada, também conhecida como matéria seca. Quando o teor de matéria seca no caldo de cana ou qualquer outro fluido industrial é expresso em porcentagem de peso, ou seja, gramas de sólidos dissolvidos por 100 g de solução, esse teor é denominado de graus Brix. 34 Para ser mais exata, a escala Brix deve referir-se à porcentagem de matéria seca numa solução de sacarose pura. Quando se determina o Brix de uma solução açucarada por um meio como um areômetro, o que se está medindo é qual seria o teor de sacarose de uma solução quimicamente pura, com a mesma densidade da que foi medida. As formas de se determinar o Brix de uma solução

36 são muitas, sendo as principais a areométrica, a refratométrica, a dessecação em estufa e a densitometria eletrônica. 2.5 Determinação do Brix de uma solução A determinação do Brix de uma solução por meio hidrométrico se realiza mergulhando um areômetro no líquido a ser analisado e fazendo a leitura no ponto de afloramento da haste do equipamento, conforme pode ser visto na Figura 2.6. A determinação do Brix por essa técnica é denominada Brix areométrico, e sua utilização tem sido abandonada devido à grande quantidade de amostra requerida para essa análise. A determinação do Brix pelo índice de refração, ou por refratometria, é exequível, pois essa grandeza física é proporcional ao teor de sacarose dissolvida na solução. Os refratômetros para esse tipo de determinação estão calibrados em Brix, não sendo necessário recorrer a tabelas de conversão. O Brix lido por esse método é denominado Brix refratométrico, sendo o mais utilizado pelas indústrias de açúcar e álcool. A determinação do teor de sólidos dissolvidos pela dessecação da solução em uma estufa a 105 C, de uma massa conhecida da amostra, é denominada sólidos por dessecação. Essa metodologia é a mais correta sob o ponto de vista conceitual, mas de pouca praticidade pelo tempo bastante longo para a sua análise. Figura 2.6 Areômetro de Brix mergulhado numa proveta. 35

37 A determinação da densidade da solução e consequentemente o Brix por densitometria eletrônica é realizada por equipamento constituído por uma câmara termostatizada onde existe um dispositivo que é posto a vibrar. Quando o equipamento recebe um líquido qualquer, a frequência de sua vibração é alterada em função da densidade do líquido. Essa alteração é registrada e expressa em densidade que pode ser transformada em Brix com auxílio de uma tabela. 2.6 Pureza de uma solução açucarada A pureza de uma solução açucarada consiste na relação entre a polarização e o Brix da solução, expressando a porcentagem de sacarose aparente em relação aos sólidos dissolvidos. Em função do tipo de análise utilizada para se determinar o Brix, a pureza recebe uma denominação, por exemplo: pureza refratométrica, pureza por dessecação etc. Pureza (%)= 100 Polarização Brix 2.7 Açúcares redutores Os monossacarídeos glicose e frutose têm a capacidade de reduzir os íons férrico ou cúprico e por isso são chamados de redutores (AR) reação de Fehling. O conhecimento do teor desses açúcares no caldo da cana ou em outros fluidos industriais é de grande importância, pois sua presença indica que a cana não estava madura, ou que sofreu um processo de deterioração que causou a inversão de sua sacarose. 2.8 Açúcares redutores totais O termo açúcares redutores totais (ART) consiste na soma dos açúcares redutores presentes no líquido açucarado, como o caldo de cana, somado à sacarose convertida em AR pelo seu fator estequiométrico, que seria a relação entre o peso dos produtos da inversão dividido pela massa molecular da sacarose. Dessa forma, o equivalente em AR de um produto será: ART = AR+ 105, Pol 36

38 2.9 Cana-de-açúcar Os açúcares são compostos químicos elaborados pelas plantas verdes, sendo encontrados em quantidade variável em todos os vegetais, onde são em parte consumidos pelo seu próprio metabolismo e o restante armazenado nas raízes, folhas, frutos, colmos etc. Dos açúcares presentes nos vegetais, os principais são a glicose, a frutose e a sacarose, sendo este último o de maior interesse para nós, pois é armazenado nos colmos da cana-de-açúcar. A cana (saccharum officinarum) é a principal fonte de sacarose na atualidade. Está ligada às atividades humanas desde milênios, sendo originária do sudoeste asiático e das Índias Ocidentais, regiões onde hoje se situam a Indonésia, Tailândia, Vietnã e Camboja. Por volta do ano 300 a.c., a cana já era uma cultura importante na Índia, sendo introduzida no Egito por volta do ano 600 d.c. e, em sua caminhada para o Ocidente, chegou à Espanha por volta do ano de 750 d.c. Espanha e Portugal, na época das grandes navegações, espalharam o cultivo da cana por todas as regiões tropicais e subtropicais da Terra. Da Ilha da Madeira, a cana-de-açúcar foi introduzida nas Américas, passando a ser cultivada na América do Sul e Central. A partir de 1710 foi introduzida na Louisiana, hoje Estados Unidos da América. A cana-de-açúcar como matéria-prima para a fabricação de açúcar ou álcool consiste nos colmos da planta em estado adiantado de maturação, pois é nessa região da planta que os açúcares, especialmente a sacarose, ficam armazenados. O ideal é que os colmos a serem industrializados cheguem à indústria livres de material estranho e impurezas como partículas do solo, fragmentos de folha ou restos de vegetais nativos. A cana-de-açúcar é um vegetal que rebrota após o corte, sendo que em média se aproveita de quatro a cinco cortes, quando o rendimento agrícola torna o processo antieconômico, necessitando de um novo plantio. O rendimento agrícola da cana varia muito de país para país. No Brasil existem grandes diferenças de um estado para outro ou mesmo dentro de um mesmo estado. No Estado de São Paulo, o rendimento médio está na faixa de 80 a 100 toneladas de cana, como média de três cortes Colheita da cana A colheita dos colmos de cana-de-açúcar tem sofrido modificações ao longo do tempo. Até a década de 1950 a cana era cortada em sua quase totalidade manualmente, sendo que o cortador seccionava o colmo rente ao chão e a sua ponta era descartada, limpando-o, a seguir, da palha. Com o grande aumento do 37

39 cultivo da cana que ocorreu a partir da década de 1950, passou-se a utilizar o processo da queimada da palha da cana-de-açúcar antes da sua colheita. Com esse procedimento, o rendimento do corte da cana por cortador se elevou de duas para oito toneladas por dia. Com o Programa Nacional do Álcool (PROÁLCOOL), iniciado em 1975, a queima da cana se generalizou, atingindo a totalidade dos canaviais destinados à produção de açúcar e álcool. Entretanto, a cana queimada apresenta alguns problemas para a sua industrialização, principalmente para a produção de açúcar, que seriam: a) provoca a rápida deterioração do colmo; b)ocasiona (em altas temperaturas acima de 400 C) a ruptura dos tecidos vegetais gerando fissuras no colmo que possibilitam o ataque de micro-organismos e a exsudação do caldo; c) acarreta a destruição da matéria orgânica do solo; d) diminui os inimigos naturais da broca-da-cana. Além desses problemas prejudiciais à indústria, outros problemas de ordem social e ambiental surgiram com o emprego da queima da cana: a) sujeira nas cidades, provocada pelo carvãozinho; b) aumento do consumo de água para as limpezas nas residências; c) acidentes em rodovias, provocados pela fumaça; d) problemas respiratórios provocados pela fumaça e particulados; e) morte de animais silvestres, diminuindo a biodiversidade. A partir da década de 1980 a utilização de colhedeira de cana, seja queimada ou crua, começou a se generalizar no Brasil (Figura 2.7). Esse procedimento se acelerou particularmente no Estado de São Paulo, onde uma lei estadual de 2003 (Lei Estadual ) determinou um programa de redução do despalhe à fogo nos canaviais do estado, até a sua completa abolição em 2021 nas áreas mecanizáveis e até 2031 nas áreas não mecanizáveis. Os rendimentos dos diversos tipos de corte estão apresentados a seguir: 38 Corte manual de cana-de-açúcar (valor médio) Cana planta 4,5 a 5,0 t / homem.dia Cana bis 8,0 a 9,0 t / homem.dia Cana soca 2,0 a 3,0 t / homem.dia

40 Corte mecânico de cana-de-açúcar (valor médio) Colmo da cana inteira 50 toneladas por máquina hora Colmo da cana picada 50 toneladas por máquina hora O termo cana planta refere-se à cana de primeiro corte após o plantio e cana soca refere-se à cana de rebrotamento após o primeiro corte. Cana bis é aquela que deixou de ser cortada na época correta e permaneceu no campo por mais uma safra antes de ser colhida. Figura 2.7 Colheita mecânica de cana crua Composição da cana De maneira geral, os colmos de cana são compostos por uma parte sólida fibrosa e por uma parte líquida que é o caldo ou garapa, sendo que este último é formado por uma solução de dezenas de componentes dissolvidos em água, em que o composto predominante é a sacarose. A composição da cana é bastante variável quanto à concentração dos diferentes constituintes, apesar de qualitativamente serem os mesmos compostos. São alguns dos fatores que influenciam na composição: variedade da cana, clima, solo, estágio de desenvolvimento da planta, adubação etc. O Quadro 2.1 (DELGADO & CÉSAR, 1977) representa bem essa variação de composição. O parâmetro mais importante dos componentes da cana é o seu teor de sacarose, que no Estado de São Paulo varia de 13 a 18%. Esse parâmetro é o principal indicador de qualidade da matéria-prima e também do quanto de açúcar ou álcool serão produzidos. A presença dos açúcares glicose e frutose, os denominados açúcares redutores, em quantidade elevada pode indicar que a cana não está madura ou que está em processo de deterioração, devido a um tempo longo de espera entre o seu corte e processamento. 39

41 Outro item muito importante é o teor de fibra na cana. Um baixo teor de fibra, menor que 12%, pode resultar em uma baixa produção de bagaço, o resíduo fibroso que resulta após a extração do caldo. O bagaço é muito importante numa usina de açúcar ou destilaria de álcool por ser o combustível que ao ser queimado na caldeira gera o vapor que movimenta a fábrica. Por outro lado, um teor de fibra muito alto, por exemplo, maior que 14%, resulta num consumo excessivo de potência nas moendas, além de prejudicar a extração da sacarose, sendo, portanto, indesejado. Tabela 2.1 Composição química da cana madura e sadia (em porcentagem). Água 74,5 (65 a 75) Açúcares 14,0 (12 a 18) Sacarose 12,5 (11 a 18) Glicose 0,9 (0,2 a 1,0) Frutose 0,6 (0,0 a 0,6) Fibras 10 (8 a 14) Celulose 5,5 Lignina 2,0 Pentosana 2,0 Arabana (goma) 0,50 Cinzas 0,50 (0,4 a 0,8) SiO2 0,25 K2O 0,12 P2O5 0,07 CaO 0,02 SO3 0,02 NaO 0,01 MgO 0,01 Materiais nitrogenados 0,40 (0,30 a 0,60) Gorduras e ceras 0,20 (0,15 a 0,25) O teor de material mineral na cana, também conhecido como teor de cinzas, é um importante parâmetro para avaliar as suas características para industrialização, em especial para a fabricação de açúcar. Os minerais têm uma atuação importante na clarificação do caldo, na sua evaporação e na sua cristalização, pois a sua presença além de certos limites pode depreciar a qualidade do açúcar produzido. Outros tipos de materiais como os aminoácidos (material nitrogenado) ou os polifenóis são compostos que influenciam de maneira preponderante na cor do açúcar, que é um dos itens de qualidade mais valorizados. 40

42 2.12 Curva de maturação da cana A cana-de-açúcar durante seu ciclo vegetativo atravessa normalmente dois períodos distintos com relação à formação de sacarose. O período inicial é marcado pelo crescimento vegetativo intenso, acompanhado por uma gradual formação de sacarose nos internódios. No segundo período ocorre uma predominante formação de sacarose, ocasionada pela escassez dos principais fatores responsáveis pelo desenvolvimento vegetativo (umidade e calor). Como se observa, a maturação é um processo fisiológico dependente de vários fatores, destacando-se, como principais, a variedade da cana, os aspectos climáticos, o tipo de solo, os tratos culturais, a idade da cultura e finalmente a ocorrência de doenças e pragas. As variedades de cana podem atingir diferentes níveis de sacarose, mesmo quando cultivadas nas mesmas condições, apresentando épocas diferentes de maturação conforme suas características, podendo ter a seguinte classificação para a Região Centro-Sul do Brasil: a)precoces: quando no início da safra (maio-junho) já apresentam um teor satisfatório de sacarose para a industrialização; b) médias: quando esse teor é atingido em meados de julho-setembro; c) tardias: quando entram em maturação no final da safra, de outubro em diante. Essa classificação das variedades quanto ao amadurecimento não caracteriza o máximo de sacarose que a cana pode atingir, sendo esse conceito válido para os teores mínimos requeridos (ver Figura 2.8). Figura 2.8 Curvas de maturação da cana-de-açúcar. 41

43 O Período Útil de Industrialização (PUI) consiste no espaço de tempo ao longo do ano em que a cana apresenta um teor de sacarose considerado como aceitável para a sua industrialização. O PUI da cana é uma característica varietal das mais importantes para a indústria do açúcar. É definido como sendo o tempo em que uma variedade é capaz de se manter em condições de ser industrializada. Uma variedade precoce alcança um teor de sacarose economicamente aceitável logo no início da safra, como valores acima de 12,57%. Nas variedades médias, o início do PUI ocorre dois a três meses após o início da safra, e nas variedades tardias essa ocorrência inicia-se nos três últimos meses Deterioração da cana A cana-de-açúcar pode ser classificada como um material altamente perecível, podendo sofrer deterioração logo após a sua colheita, seja por decomposição bioquímica ou por contaminação microbiológica. O processo de deterioração da cana ocorre em função de diversos fatores, dos quais os principais são: a)o tempo decorrido entre a queima e o processamento, não sendo recomendável que exceda 24 horas; b) cana queimada sofre deterioração mais rápida que cana colhida crua; c) cana picada, por apresentar um grande número de pontos segmentados, tem sua deterioração acelerada, devendo ser processada antes de 12 horas após o corte; d)colmos de cana que entram em contato com o solo após a queima ficam suscetíveis a uma deterioração microbiológica; e)calor e umidade são fatores que aceleram o processo de deterioração da cana. Quando os dois fatores ocorrem simultaneamente, como uma chuva num dia quente, a deterioração é potencializada. Os efeitos que a cana sofre no período após a sua colheita dependem também da variedade, do tipo de armazenamento que os colmos são submetidos. Os principais fenômenos que a cana sofre no período de pós-colheita, em sua armazenagem são: 42 a) dessecamento do colmo: a cana após o corte continua a transpirar, eliminando umidade numa velocidade que depende da umidade relativa do ar e da temperatura. Em tempo seco e quente essa perda de água é acelerada, resultando em perda de peso dos colmos e do aumento do seu teor de fibra, dos sólidos dissolvidos ( Brix) e da polarização;

44 b)inversão da sacarose: o colmo da cana após o seu corte continua com suas atividades metabólicas de respiração. Nesse processo ocorre a inversão da sacarose em glicose e frutose, diminuindo assim o principal componente do caldo, a sacarose. Mesmo a glicose e a frutose formadas são metabolizadas em bióxido de carbono e água. Além dessas deteriorações a cana também pode sofrer outros fenômenos, como elevações de sua acidez e o aumento do teor de gomas e substâncias corantes Deterioração microbiológica Além dos fenômenos descritos anteriormente sobre as transformações que a cana pode sofrer após a sua colheita, pode ocorrer também uma contaminação microbiológica causada principalmente pela ação de micro-organismos como o leuconostoc mesenteroides, que penetra no colmo pelas fissuras provocadas pela queima ou pelos cortes resultantes da colheita. O desenvolvimento da infecção pelo leuconostoc ocorre principalmente quando a colheita é realizada nos meses mais quentes e úmidos do ano. Na Região Centro-Sul do Brasil, essa ocorrência é maior nos meses de outubro e novembro, quando a temperatura é alta e ocorre o início das chuvas de verão. Se o período entre a queima ou colheita da cana e o seu processamento for longo, o risco de infecção é maior. A infecção pelo leuconostoc resulta na produção de um composto de alto peso molecular, que consiste num polímero da glicose denominado dextrana. Esse composto parecido com o amido causa grandes transtornos no processo de fabricação do açúcar, dos quais podemos citar os seguintes: a)a ação do microrganismo gerando a dextrana resulta na destruição da sacarose, prejudicando o rendimento da indústria; b) a dextrana, tal como a sacarose, é altamente dextrorrotatória, elevando a polarização no sacarímetro, ou seja, a sua presença causa um erro a mais na leitura polarimétrica; c) a dextrana causa um aumento da viscosidade do caldo de cana e dos méis, elevando o tempo de processamento de equipamentos como decantadores, cristalizadores e centrífugas; d) a presença de dextrana durante a formação dos cristais de sacarose resulta na sua incorporação ao cristal causando uma deformação cristalográfica, além de que a sua presença no açúcar o torna impróprio para diversos tipos de consumo, como pela indústria de refrigerantes. 43

45 2.15 Impurezas da cana Teoricamente, a matéria-prima recebida numa usina de açúcar ou destilarias de álcool deveria ser constituída unicamente de colmos de cana sadios e frescos. Na prática, o material recebido contém vários tipos de impurezas agregadas aos colmos, sendo em parte impurezas vegetais, como a ponteira da cana ou folhas, além de fragmentos de plantas nativas. Também são agregadas ao colmo impurezas minerais como pedras e terra, durante a colheita e o carregamento. A quantia de impureza agregada ao colmo é bastante variável, dependendo do tipo de solo onde ocorre a cultura, por exemplo, se o solo é de consistência argilosa ou arenosa. Depende também das condições climáticas em que ocorre a colheita. Em dias chuvosos a quantia de material mineral agregado é 3 a 4 vezes maior que em dias secos. Outro fator importante é o tipo de colheita, se manual ou mecânica. A colheita de cana à máquina carreia uma quantia maior de impurezas vegetais que o corte manual. O teor de impurezas agregadas à matéria-prima nas canas recebidas pelas usinas do Estado de São Paulo apresenta os seguintes valores médios: Dias secos 4% Dias chuvosos 15% Impurezas minerais/colheita manual 0,4 a 0,7% Impurezas minerais/colheita mecânica 0,8 a 0,5% Impurezas vegetais/colheita manual 3 a 5% Impurezas vegetais/colheita mecânica 4 a 6% 2.16 Cana colhida em toletes O colmo de cana, quando colhido à máquina, pode se apresentar tanto inteiro como picado em toletes, sendo que esta última forma está ganhando cada vez mais adeptos, por resultar em um material mais homogêneo e mais compacto. Uma quantia de cana formada por colmos inteiros desarrumados apresenta uma densidade aparente de 125 kg por m 3, que pode ser elevada para valores superiores a 200 kg por m 3, quando se trata de cana picada. Apesar das vantagens desse tipo de colheita, a cana picada apresenta o inconveniente de uma deterioração mais rápida que a cana colhida inteira. Por apresentar mais pontos segmentados, tem uma tendência maior de sofrer dessecação e também de contaminação microbiológica, portanto, o tempo entre sua colheita e o seu processamento deve ser inferior ao da cana inteira. 44 A cana colhida à máquina e picada não necessita sofrer uma lavagem antes de ser processada, por não apresentar impurezas minerais que justifiquem esse processo. Além disso, as perdas de sacarose seriam bastante elevadas, como veremos adiante.

46 2.17 Pagamento da cana pelo teor de sacarose e pureza (PCTS) As canas adquiridas pela usina por meio de fornecedores independentes são pagas em função de seu teor de sacarose e de sua qualidade. Assim, o veículo transportador ao chegar à usina é pesado, e a cana é amostrada e analisada, pois o preço da carga é calculado em função dos resultados analíticos. O sistema de pagamento da cana pelo seu teor de sacarose, conhecido pela sigla de PCTS, foi inicialmente implantado em nosso país no Estado de Alagoas, em 1979, e no Estado de São Paulo, na safra de 1998/1999. O sistema é gerenciado nos estados onde foi implantado por um conselho formado por produtores de cana, açúcar e álcool conhecido pela sigla de Consecana. O objetivo desse conselho é zelar pelo aprimoramento do sistema e gerar e divulgar dados técnicos sobre a qualidade das canas do estado. Segundo o Consecana, a cana deve ser entregue à usina ou destilaria num prazo máximo de 72 horas após a queima até o dia 31 de agosto e 60 horas após a queima a partir de setembro. A cana entregue após esse prazo deve sofrer um deságio sobre seu preço de 0,2% por hora adicional do tempo estipulado Amostragem da cana para o PCTS A coleta de amostra da cana para a sua avaliação é um item bastante padronizado pelo Consecana, sendo realizada por uma sonda amostradora instalada logo após a balança de pesagem dos caminhões. Essa sonda é formada por um tubo com uma coroa dentada na ponta. Esse tubo gira a 300 rpm e penetra na carga de cana coletando certa quantidade de material, conforme pode ser visto na Figura 2.9. Figura 2.9 Veículo sendo amostrado por uma sonda horizontal. 45

47 A coleta de amostra deve ser realizada em três diferentes locais no veículo em diferentes alturas, não podendo ocorrer coincidências verticais no ponto de coleta. Os pontos de coleta de amostra são escolhidos por sorteio, podendo assumir diversas combinações conforme pode ser visto na Figura 2.10, em que são apresentadas seis combinações possíveis de amostragem. Figura 2.10 Locais de amostragem e as possibilidades de coleta. Na Figura 2.10 temos, no primeiro caso, uma carroceria com sete vãos e 10 possibilidades e, no segundo caso, uma carroceria com 12 vãos e 20 possibilidades. A coleta da amostra pode ser realizada por uma sonda que penetra na carga obliquamente pela parte superior do veículo transportador, coletando uma amostra em todo o perfil vertical do veículo. Nesse caso uma só coleta é suficiente. O material coletado pela sonda é desintegrado em equipamento apropriado, do tipo forrageira, e a massa desfibrada resultante é homogeneizada em equipamento do tipo betoneira, sendo então retirada uma amostra de aproximadamente 2 kg. Esse material é então enviado ao laboratório, onde os parâmetros tecnológicos são avaliados Análise da cana para o PCTS 46 A amostra de cana colhida no veículo transportador, após o seu desfibramento, homogeneizada e retirada de uma alíquota, é transportada ao laboratório de PCTS para análise. Inicialmente é realizada a extração do caldo da amostra

48 em equipamento padronizado, onde se aplica uma pressão de 250 kg/cm 2 pelo tempo de um minuto, extraindo uma fração do caldo da cana. Esse caldo é inicialmente analisado quanto ao seu Brix e Polarização. A análise do Brix é realizada no caldo tal como é extraído. Quanto à análise da polarização (sacarose aparente por cento caldo), é necessário realizar uma clarificação prévia do caldo, pois ele não apresenta uma transmitância óptica que permita a passagem do raio de luz polarizada do equipamento analisador. O clarificante recomendado é uma mistura à base de cloreto de alumínio, hidróxido de cálcio e um auxiliar de filtração. De posse dos valores da polarização do caldo (p) e do seu Brix (B), é calculada a pureza da forma já vista: Pureza (%)= 100 pb O fluxograma da análise da cana para fins de pagamento pode ser visto na Figura 2.11 a seguir. Figura 2.11 Fluxograma do processo de amostragem e análise da cana para fins de pagamento pelo sistema Consecana. 47

49 Outro parâmetro tecnológico necessário para o sistema de pagamento de cana é o teor de açúcares redutores (AR), que para esse fim não é obtido analiticamente em laboratório, mas estimado em função da pureza do caldo. A fórmula para o cálculo do AR varia, e no Estado de São Paulo se utiliza a seguinte equação: AR % caldo = 3, 641 0, 0343Q sendo Q a pureza do caldo expressa em porcentagem. Algumas indústrias preferem obter esse parâmetro analiticamente em laboratório. Outro parâmetro importante para o sistema de pagamento de cana é o teor de fibra na cana, que corresponde à porcentagem de material fibroso presente no colmo, mas que na prática é a porcentagem de matéria seca insolúvel na cana, correspondendo à fibra e às impurezas insolúveis. Esse parâmetro assim definido é denominado fibra industrial da cana. O teor de fibra também é estimado em função do peso da massa fibrosa ou bolo úmido que permanece na prensa após a compressão da cana para a extração do caldo. A expressão utilizada para esta estimativa no Estado de São Paulo é a seguinte: F = 008, ( PBU)+ 0, 876 em que F é o teor de fibra em porcentagem e PBU o peso do bolo úmido que resulta após a prensagem de 500 g de cana desfibrada. Caso se deseje um valor mais correto do teor de fibra na cana é facultado realizar uma determinação laboratorial, denominada método Tanimoto, em que um peso conhecido de cana desfibrada é lavado para a retirada de seus componentes solúveis e a seguir seco em estufa a 105 C. O material seco resultante é pesado e a fibra é calculada pela expressão a seguir: F 100 Ps BPu B = ( ) ( ) ( ) em que: F: teor de fibra na cana em porcentagem; Ps: peso do material após a secagem; Pu: peso do material antes da secagem; B: Brix do caldo. 48

50 Os valores de polarização, Brix e açúcares redutores obtidos pelos métodos citados referem-se à porcentagem no caldo de cana extraído pela prensagem. Mas para fins de pagamento de cana é necessário saber o valor desses parâmetros em relação à cana, ou seja, polarização por cento cana, por exemplo. A expressão algébrica que realiza a transformação da pol do caldo em pol da cana é a apresentada a seguir: ( ) Pc = Pj 1 0, 01FC em que: Pc: pol da cana em porcentagem; Pj: pol do caldo em porcentagem; F: fibra na cana em porcentagem; C: coeficiente de transformação da pol do caldo extraído pela prensa em pol do caldo absoluto da cana, calculado pela expressão C= 1, , 00575F Pelo mesmo critério utilizado para polarização, pode-se converter o teor de açúcares redutores do caldo para açúcares redutores da cana: ( )= ( )( ) AR% cana ARc AR% caldo 1 0, 01FC em que os termos F e C são os mesmos definidos anteriormente Açúcares totais recuperáveis A indústria açucareira necessita, para fins de realizar os balanços de massa para seus controles do processo e para o sistema de pagamento da cana, de um parâmetro que permita avaliar o quanto uma determinada matéria-prima poderá resultar em açúcar e álcool. A polarização é um bom indicador da quantia de sacarose contida na cana para fins de produção de açúcar e os açúcares redutores são matéria-prima para produção de álcool. Dessa forma, em função desses parâmetros existe uma sistemática para avaliar a produção da usina ou destilaria. O sistema Consecana criou um parâmetro que engloba tanto o teor de sacarose como o teor de açúcares redutores presentes na cana, assim como 49

51 um fator que leva em conta as perdas de sacarose no processo industrial. O parâmetro denominado açúcares totais recuperáveis (ATR) consiste na transformação da sacarose presente na cana em seu equivalente em AR, que é somado ao AR da cana, resultando no denominado açúcares redutores totais (ART): ART % cana = 1,05263 Pc + ARc em que: 1,05263: fator estequiométrico de conversão de sacarose em açúcares redutores; Pc: pol da cana em %; ARc: açúcares redutores na cana em %. Pelo sistema Consecana do Estado de São Paulo, considera-se que do total de ART da cana, 9,5% são perdidos durante o processo de fabricação do açúcar e do álcool, significando que 90,5% são efetivamente transformados em produtos pela usina de açúcar ou pela destilaria de álcool. Outros estados adotam valores diferentes para as perdas, por exemplo o Estado do Paraná que adota o valor de 12%. O valor de 9,5% de perdas corresponde a uma média entre as usinas do Estado de São Paulo, sendo que algumas podem apresentar valor maior ou menor que esse. Na Tabela 2.2, essas perdas estão apresentadas separadas por setor da indústria. Tabela 2.2 Perdas industriais na fabricação de açúcar e álcool. Perdas na lavagem de cana 0,5 a 0,6% Perdas na extração da sacarose 3,2 a 3,7% Perdas no tratamento do caldo (torta de filtro) 0,4 a 0,7% Perdas na fermentação 3,6 a 4,8% Perdas na destilação (vinhaça, por exemplo) 0,1 a 0,2% Perdas indeterminadas 1,1 a 2,9% Total 7,8 a 10,0% Para fins do Consecana, o parâmetro açúcares totais recuperáveis (ATR) é definido como: ( )( ) ATR% cana = 10 ART% cana , 100 ATR% cana = 10 0, 905 ART = 905, ART ATR% cana = , (, Pc + ARc)= 9, 5263Pc+ 95, ARc 50 em que os termos ART e ARC já foram definidos.

52 O preço da tonelada da cana é calculado em função do ATR médio da usina e do preço do açúcar e do álcool comercializados, sendo que o produtor da cana teria uma participação ao redor de 60% do valor que a usina auferiria com a comercialização desses produtos. Assim, por exemplo, caso se chegue a um valor de R$ 0,26 por kg de ATR e que as canas entregues apresentem 140 kg de ATR por tonelada, tem-se: Valor da t de cana = ,26 = R$ 36, Qualidade da cana para a sua industrialização As características da cana-de-açúcar definidas para fins de PCTS nos fornecem informações importantes sobre as características desse vegetal para industrialização. No entanto, as usinas têm hoje uma grande preocupação com a qualidade do produto e devido a isso, está se utilizando também de outros indicadores, tais como a presença de precursores de cor no açúcar como os compostos fenólicos, de compostos que podem causar problemas na fabricação como o amido etc. Ripoli (2004) apresenta uma tabela com os principais indicadores de qualidade da cana-de-açúcar e os valores mais desejáveis, que reproduzimos na Tabela 2.3. Tabela 2.3 Indicadores da qualidade e valores recomendados para a cana-de-açúcar. Indicadores Valores recomendados Polarização ( Z) >14 Pureza (%) >85 ART (%) >15 AR (%) <0,8 Fibra (%) 11 a 13 Tempo queima / corte (horas) <5 para corte manual Terra da cana (kg/t de cana) <5 Contaminação (bastonetes/ml de caldo) <5 x 10 5 Teor de álcool no caldo (%Brix) 0,6 Dextrana (mg/kg de Brix) 500 Amido (mg/kg de Brix) 500 Broca da cana (%) <1 Palhiço da cana (%) <5 Ácido aconítico (mg/kg de Brix)

53 2.22 Referências DELGADO, A. A.; CÉSAR, M. A. A. Elementos de tecnologia e engenharia do açúcar. Sertãozinho: Publicação Zanini, RIPOLI, T. C. C.; RIPOLI, M. L. C. Biomassa de cana-de-açúcar: colheita, energia e ambiente. Piracicaba: Barros & Marques Ed. Eletrônica, p. 52

54 UNIDADE 3 Recepção e preparo da cana

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56 3.1 Introdução O transporte da cana da lavoura até a indústria, no Brasil, é predominantemente do tipo rodoviário, com a utilização de caminhões que transportam cana inteira (colheita manual ou à máquina) ou picada em toletes de 20 cm a 25 cm (colheita à máquina). Os veículos são pesados antes e após o descarregamento, obtendo-se o peso da cana pela diferença entre as duas medidas. Alguns caminhões selecionados por sorteio são amostrados pela forma descrita na unidade anterior, para posterior análise para fins de pagamento da cana de acordo com o teor de pureza da sacarose. Os objetivos da pesagem são: possibilitar o controle agrícola, o pagamento do transporte da cana, o controle da operação de moagem, obter um parâmetro para o balanço de massa e cálculo do rendimento industrial. Como já foi visto, o peso da cana recebida é um importante parâmetro para efetuar o pagamento do fornecedor. As cargas de cana podem ser encaminhadas para o seu processamento imediato na usina ou armazenadas para constituírem um estoque pulmão, como forma de prevenção de uma possível falha no abastecimento ou para suprir a indústria no período noturno, quando o recebimento de cana deixa de ocorrer, como é o caso da maioria das usinas. As canas compostas por colmos inteiros podem ser processadas imediatamente ou estocadas. Já as canas recebidas em toletes, por sua maior tendência de sofrer deterioração, devem ser processadas tão logo cheguem à usina. 3.2 Descarregamento da cana Existem diversos processos para o descarregamento dos caminhões transportadores de cana-de-açúcar após a sua pesagem e amostragem. Nas usinas brasileiras essa operação é realizada basicamente por dois meios que são: por guindaste tombador lateral conhecido como hilo; pela utilização de ponte rolante. O guindaste lateral do tipo hilo é formado por uma torre bastante sólida de 15 m de altura e que apresenta um ângulo de 75 com relação à horizontal. A retirada da carga de cana do caminhão ocorre quando cabos de aço que passam por baixo da carga de cana são tracionados pelo seu enrolamento ou por pistões hidráulicos, resultando no levantamento da carga e seu tombamento sobre a mesa alimentadora (ver Figura 3.1). 55

57 Figura 3.1 Tombador lateral de cana do tipo guindaste hilo. Esse tipo de equipamento é construído para operar com cargas de cana de até 20 toneladas, sendo acionado por motor elétrico de 50HP e pode descarregar até 12 veículos por hora. A capacidade de processamento desse tipo de equipamento é de 180 a 200 toneladas de cana por hora. Em geral, as usinas dispõem de no mínimo dois equipamentos desse tipo. Muitas vezes, um dos guindastes tombadores descarrega a cana no barracão para formar o estoque para uso noturno, e o segundo descarrega a cana para a moagem imediata. Outro equipamento amplamente utilizado em nosso país para descarregar os caminhões é a ponte rolante, formada por uma estrutura constituída de vigas metálicas que se movem sobre trilhos paralelos. A ponte sustenta um dispositivo móvel denominado carro, que se movimenta em todo o espaço entre os trilhos, conforme pode ser visto nas figuras 3.2 e Figura 3.2 Vista lateral e esquematizada de uma ponte rolante.

58 Figura 3.3 Fotografia de uma ponte rolante em operação. A ponte rolante trabalha dentro do barracão de cana e pode ser equipada com uma garra hidráulica que apanha a cana estocada sem que ela necessite estar amarrada por cabos. Esse tipo de equipamento pode realizar de 10 a 20 transportes de cana por hora, deslocando até 20 toneladas de cana por viagem. As pontes rolantes possuem três tipos de movimentos, que seriam: o ascensional ou de elevação da carga (numa velocidade de 6 a 12 m por minuto), um movimento de translação do carro sobre a ponte no sentido transversal aos trilhos e um movimento da ponte propriamente dita, que pode atingir até 180 m por minuto de velocidade. 3.3 Armazenagem da cana Como o sistema de trabalho das usinas é ininterrupto, e a colheita da cana na maioria dos casos não ocorre no período noturno, é necessária a formação de um estoque para suprir a indústria nesse horário. A formação do estoque de cana tem também a função de garantir o funcionamento da indústria mesmo quando ocorre uma parada de algumas horas no recebimento de matéria-prima por uma interrupção do transporte. A quantia de cana a ser armazenada é uma função da moagem horária da usina, do período em horas que ocorre o abastecimento e da margem de segurança que se necessite: ( ) + E= 24 t C s C 57

59 em que: E: quantidade de cana a ser estocada em t; C: capacidade de processamento da indústria em t de cana por hora; t: tempo em que ocorre a recepção da cana em horas por dia; s: margem de segurança em horas. Considerando uma usina que processa 500 t de cana por hora, recebe cana por um período de 12 horas por dia e utiliza uma margem de segurança de 2 horas de moagem, tem-se: E = ( ) + = t Essa quantia de cana seria a que deveria existir em estoque no início da noite, quando o recebimento de cana da lavoura cessa. O valor da reserva de segurança pode variar ao longo da safra, sendo menor nas épocas de estiagem, e crescer quando se prenuncia instabilidade climática com possibilidades de chuva. O dimensionamento do local de estocagem da cana consiste inicialmente na determinação de sua área. Para isto, deve-se conhecer, além da quantia a ser armazenada, a densidade da cana e a altura da pilha de cana no armazém. A densidade da cana solta sofre grande variação em função das condições da arrumação dos colmos, podendo assumir valores desde um mínimo de 150 kg/m 3 até um máximo de 500 kg/m 3. Para fins de projeto adota-se 300 kg/m 3. A altura da pilha de cana depende do tipo de armazenagem, se em pátio ou em barracão, e do sistema de manipulação, se com ponte rolante com garra ou balanção. Os valores sugeridos são: barracão de cana com ponte rolante operando com garra: 7,5 m; barracão de cana com ponte rolante operando com balanção: 6,0 m; pátio de cana: 2,5 m. A superfície útil de estocagem de cana corresponde a 70% da área total, pois se considera que 30% da área do local de armazenagem é perdida devido ao talude formado nas bordas da pilha e da presença de equipamentos como a mesa alimentadora no interior do barracão, podendo-se escrever: Su = 0,70 S 58

60 em que: S: superfície do barracão em m 2 ; Su: superfície útil do barracão em m 2. O volume útil e a capacidade útil do local de armazenagem são: Volume útil (m 3 ) = 0,70 S H Capacidade útil (t) = 0,70 S H D em que: H: altura média da pilha de cana em metros; D: densidade da cana no barracão, que em média é de 250 kg/m 3. Considerando que a capacidade útil do barracão deve ser igual à quantia de cana necessária no estoque: 0,70 S H D = E ou: S= E 070, HD Considerando o exemplo anterior em que se previu uma necessidade de formar um estoque de 7000 t de cana, adotando uma altura da cana no barracão de 6 m e uma densidade aparente dos colmos de 300 kg/m 3 ou 0,30 t/m 3, podemos calcular: S= , 7, 5 0, 30 = 4444 m Deterioração da cana-de-açúcar A cana-de-açúcar é uma matéria-prima perecível, susceptível de sofrer deterioração, que se inicia logo após a sua colheita, resultando em alteração de suas características tecnológicas para industrialização. A cana colhida em toletes, por apresentar mais locais segmentados onde pode ocorrer uma infecção microbiológica, sofre deterioração mais rápida que a cana colhida inteira. Outro fenômeno que a cana sofre durante sua armazenagem é o ressecamento do colmo, resultando numa diminuição de sua massa e um aumento do teor de fibra, com consequências negativas à eficiência do processo de extração da sacarose, seja pelo sistema de moenda ou de difusor. 59

61 Além desse, outros fenômenos podem ocorrer na cana após a sua colheita, como a inversão da sacarose em glicose e frutose, que prejudica o rendimento da usina, e também a infecção microbiológica causada por micro-organismos do solo que penetram no colmo e causam diversos tipos de alterações indesejáveis. Com o corte da cana, o colmo apresenta partes segmentadas nas extremidades, além de fissuras provocadas pelas altas temperaturas da queima, sendo que esses locais são pontos de penetração de diversos micro-organismos. O principal agente microbiológico causador da deterioração da cana é o leuconostoc mesenteroides, cujo desenvolvimento é realizado à custa da sacarose. Essa bactéria metaboliza a sacarose e segrega um polímero da glicose de alto peso molecular denominado dextrana. Esse polímero se caracteriza por aumentar a viscosidade dos caldos, xaropes e méis, retardando as operações industriais como a decantação e a centrifugação e diminuindo, assim, a capacidade produtiva da indústria. A dextrana também causa um aumento da pol do caldo, devido à sua característica altamente dextrorrotatória, alterando as estimativas de sacarose e assim os balanços de massa realizados para o controle do processo. A presença desse polímero no caldo da cana acaba por contaminar o açúcar, depreciando a sua qualidade para ser utilizado em refinarias de açúcar, fábricas de refrigerante, entre outros. As especificações de açúcar limitam o teor de dextrana presente no produto, sendo que produtos com valores superiores ao especificado são rejeitados. Outras contaminações por micro-organismos podem ocorrer durante o período entre o corte e o processamento da cana, por exemplo, pelo fungo colletotrichum falcatum que causa a denominada podridão vermelha, provocando a inversão da sacarose além de diversos outros problemas na qualidade do caldo. Por esses motivos, o processamento da cana deve ser realizado o mais rápido possível após a sua colheita, garantindo uma melhor eficiência e um produto de qualidade. Na formação do estoque de cana no barracão, deve-se ter o cuidado de arrumar a carga de forma que as canas que entrarem em primeiro lugar sejam as primeiras a serem retiradas para processamento, para evitar que algumas cargas estocadas permaneçam na armazenagem mais tempo do que o estritamente necessário, para não correrem o risco de deterioração. 3.5 Mesa alimentadora 60 A cana-de-açúcar, tanto a retirada do veículo transportador como a do barracão, inicialmente é transportada para a denominada mesa alimentadora, que é constituída por uma plataforma retangular, construída em chapa metálica e de dimensões variáveis. A plataforma apresenta aberturas longitudinais onde passam correntes sem fim com saliências que arrastam a cana em direção à

62 esteira. O número de correntes é proporcional à largura da mesa, podendo se estimar uma distância entre elas, variando de 60 a 100 cm. As mesas alimentadoras são classificadas quanto à sua inclinação em relação à horizontal, podendo ser: a) mesa convencional com inclinação entre 5 a 15 ; b)mesa de grande inclinação com, em média, 45. As mesas convencionais, embora possuam grande capacidade de alimentação, tornam a mesma inconstante, pois a camada de cana sobre ela é muito alta, dificultando a manutenção de um fluxo regular de cana, além de prejudicar a eficiência de outra operação realizada pela mesa: a lavagem da cana. Figura 3.4 Mesa alimentadora de correntes. As mesas de 45, por sua vez, trabalham numa velocidade maior, com uma camada bem baixa, o que propicia uma alimentação muito mais regular e de fácil controle, aumentando sensivelmente a eficiência da lavagem da cana. O objetivo da mesa é manter a regularidade da alimentação dos picadores de cana, sendo que seu funcionamento é intermitente, despejando a cana na esteira de forma a resultar num fluxo o mais regular possível. A mesa é acionada na maioria das vezes por um motor elétrico que está ligado à árvore de acionamento das correntes, conforme a ilustrção da Figura 3.4. A mesa alimentadora apresenta um comprimento de 8 a 12 m e uma superfície que Hugot (1977) recomenda que seja proporcional à moagem, conforme a relação a seguir: S = 06, C 61

63 em que: S: superfície da mesa em m 2 ; C: moagem da indústria em t de cana por hora. A potência requerida para o acionamento do equipamento é dada, segundo Hugot (1977), pela expressão: P = 05, S em que P é a potência requerida em HP, e S como já foi definido. 3.6 Lavagem de cana Os colmos de cana recebidos na usina vêm acompanhados de impurezas e material estranho numa proporção que varia em função de uma série de fatores. O fator climático é um importante influenciador no teor de impurezas minerais, como partículas de areia e argila. O teor dessas impurezas originárias do solo, que em dias secos está ao redor de 4% da cana, pode atingir 15% em dias chuvosos. O sistema de colheita da cana é também um fator muito importante quanto ao teor de impurezas presente. A cana colhida com despalhe a fogo apresenta um maior teor de impurezas minerais, pois as altas temperaturas durante a queima provocam a exsudação de mel pelo colmo, que torna sua superfície pegajosa e aderente, agregando partículas de terra. Já a cana colhida sem queima, por colhedeira, apresenta uma maior incidência de impurezas vegetais por conta da presença de fragmentos de folhas e pontas aderidas ao colmo. Na Tabela 3.1 são apresentados os valores mais prováveis dos teores de impurezas presentes em canas sob diferentes tipos de clima e corte. Tabela 3.1 Teores de impurezas presentes na cana sob diferentes tipos de colheita e clima. Dias secos 4% Dias chuvosos 15% Impurezas minerais/corte manual 0,4 a 0,7% Impurezas minerais/corte mecânico 0,8 a 0,5% Impurezas vegetais/corte manual 3 a 5% Impurezas vegetais/corte mecânico 4 a 6% 62 A eliminação das impurezas que acompanham os colmos da cana, tanto de origem vegetal como mineral, é realizada no Brasil, em sua imensa maioria, pelo

64 processo de lavagem da cana na mesa alimentadora. O processo consiste em aplicar água nos colmos de cana por meio de jatos na medida em que ela se movimenta ascendentemente na mesa, provocando a quase total retirada das impurezas. 3.7 Lavagem na mesa A lavagem da cana é realizada na própria mesa alimentadora, onde é disposta uma tubulação em toda a sua extensão longitudinal, com bicos aspersores por meio dos quais é aplicada a água sob pressão. Dessa forma são retiradas as partículas de terra, argila e material vegetal como a palha, que acompanha o colmo. A finalidade é a obtenção de colmos de cana limpos para que na operação seguinte (extração) se obtenha um caldo ou garapa mais límpido. As partículas de terra, caso estejam presentes no caldo, em especial a areia, causam excessivo desgaste de componentes metálicos da usina, como tubos, bombas e válvulas. Esse material acaba também sobrecarregando o sistema de tratamento de caldo, especialmente o decantador e o filtro. A eficiência da operação de lavagem da cana depende de uma série de parâmetros dos quais podemos citar: a)volume de água aplicado, que varia de um mínimo de 3 até um máximo de 10 m 3 por t de cana, sendo que esse volume é o mínimo para mesas de alta inclinação (como 45 ) e em canas com baixo teor de impurezas; b)modo de aplicação da água, sendo que a eficiência aumenta quando a água é aplicada sob pressão; c) altura do colchão de cana na mesa, pois caso a camada de cana seja muito espessa, as impurezas removidas da parte superior poderão ficar alojadas nas partes mais baixas do colchão; d) velocidade da mesa alimentadora: quanto maior for, menor será a eficiência da lavagem, por diminuir o tempo de exposição aos jatos de água. Por outro lado, velocidades maiores significam colchão de cana mais estreito, que permite uma melhor eliminação das impurezas. A operação de lavagem da cana apresenta vários aspectos negativos, dos quais o principal é a perda de açúcar que ela ocasiona. Dependendo do sistema de lavagem e do estado dos colmos, essas perdas podem oscilar entre um mínimo de menos de 1 kg de sacarose por t de cana até valores como 6 kg por t de cana. Nos dados a seguir estão apresentados alguns valores médios de perda. 63

65 Lavagem de cana picada Lavagem de cana inteira na esteira Lavagem de cana inteira na mesa 5,0 a 6,0 kg por t de cana processada 1,5 a 3,0 kg por t de cana processada 0,7 a 1,5 kg por t de cana processada 3.8 Limpeza da cana a seco Sistemas de limpeza da cana sem a utilização de água foram desenvolvidos em vários países. Entre eles podemos citar Cuba, onde a cana é limpa a seco em centrais no próprio campo, em que foram implantadas mais de 700 dessas unidades. No entanto, esse sistema não se apresentou adequado à realidade brasileira, sendo que a instalação do sistema de limpeza na usina foi o processo adotado em nosso país. Atualmente existem muitos projetos de substituição do sistema de lavagem da cana por sistemas a seco, sendo que várias unidades industriais já adotaram um processo de limpeza por insuflação de ar em alta velocidade sobre a cana, provocando o arraste da palha e da terra. Esse sistema é composto pela mesa alimentadora propriamente dita, os ventiladores que são posicionados sobre a mesa e uma caixa coletora da palha e terra, conforme pode ser visto na Figura 3.5. Para que esse sistema possa ser implantado, é necessário que a mesa alimentadora apresente um ângulo de inclinação superior a 35, para permitir a instalação dos ventiladores sob ela. As impurezas minerais separadas pelo sistema são devolvidas ao campo. As impurezas vegetais, dependendo de sua umidade, podem ser queimadas na caldeira para gerar vapor, junto com o bagaço da cana. Figura 3.5 Sistema de limpeza da cana a seco por insuflação de ar em alta velocidade. 64 O sistema de limpeza da cana sem a utilização de água tem como vantagens os aspectos ambientais, pois, além de não necessitar de água, dispensa o sistema de tratamento desta, que é um processo que demanda investimentos elevados.

66 3.9 Tratamento da água de lavagem de cana A água que eflue do sistema de lavagem de cana carrega consigo uma grande quantia de material em suspensão e dissolvido, tornando-a imprópria para ser lançada em corpos de água. O primeiro tratamento ao qual essa água deve ser submetida é a peneiragem, a fim de ser retirado o material grosseiro presente, como toletes de cana, palha ou pedras. Essa limpeza preliminar é realizada em peneiras de rastelo tipo cush-cush. Esse equipamento é dimensionado de forma a apresentar 1 m 2 de área perfurada por 1000 m 3 /h de água de lavagem. Os orifícios são circulares, com 6 mm de diâmetro e a área perfurada corresponde a 45% da área da peneira. De modo geral, são necessários 4,44 m 2 de superfície filtrante por 1000 m 3 /h de água a ser processada (LOPES, 1983). Do material presente na água de lavagem de cana, a maior parte é formada por partículas grosseiras em suspensão. Encontra-se também material dissolvido constituído principalmente por sacarose, açúcares redutores e material coloidal. Esse material suspenso no estado coloidal está estabilizado pela repulsão mútua entre suas micelas eletricamente negativas. Dessa forma, sua precipitação é conseguida pela neutralização dessas cargas, que ocorre quando o ph do meio está entre 10 e 11. O ph da água de lavagem de cana está na faixa de 4,70 a 5,70 e sua elevação é realizada pela adição de leite de cal. As características da água efluente do sistema de lavagem quando este opera em sistema totalmente aberto (a água é utilizada uma única vez, sendo então descartada), podem ser vistas na Tabela 3.2, conforme Monteiro (1977). Tabela 3.2 Características da água efluente da lavagem de cana. ph 4,70 a 5,70 Resíduo total 0,400 a 1,175 g/l Resíduo solúvel 0,200 a 0,500 g/l Material em suspensão 0,150 a 0,900 g/l Resíduo sedimentável 2,0 a 7,9 ml/l Oxigênio dissolvido (OD) 0,0 3,0 mg/l DBO padrão 180 a 500 mg/l de O 2 DQO 220 a 700 mg/l de O 2 L Na maioria dos casos, o sistema de lavagem de cana trabalha em circuito fechado, com a água sendo tratada e reutilizada. Nesses casos, o DBO da água está na faixa de 2000 a 4000 mg/l. Pelas suas características físico-químicas, a água de lavagem de cana não pode ser lançada in natura nos corpos d água, pois é altamente poluente e pode causar assoreamento do leito dos rios e lagos, pela sedimentação de seus sólidos suspensos. Dessa forma, deve sofrer um tratamento prévio que possibilite a sua reutilização no processo. 65

67 O destino dessa água pode ser o envio para uma lagoa onde a terra sedimentável possa ser armazenada por uma safra. Nesse procedimento, além de ocupar uma área muito grande pelo volume de água utilizada, a decomposição da matéria orgânica gera maus odores nas proximidades. A utilização mais correta é encaminhar essa água para um sistema de decantação no qual o material em suspensão, como partículas de terra e areia se precipitem, assim como os coloides desestabilizados pela adição da cal. Figura 3.6 Circuito fechado da água de lavagem de cana. Após a separação do material precipitável da água, ela pode ser reutilizada, pois a cal age como preservante, inibindo processos fermentativos. O fluxograma do processo, denominado circuito fechado, está apresentado na Figura 3.6. No entanto, com o constante reúso, o teor de material coloidal não precipitável acaba se elevando e pode atingir altos valores, recomendando-se, assim, o descarte e sua substituição por água limpa. As unidades industriais costumam substituir paulatinamente essa água, inclusive repondo as perdas, de forma que num prazo de 4 a 7 dias toda a água do sistema seja renovada. O sistema mais utilizado de tratamento é constituído por caixas retangulares de concreto que possam operar alternadamente. À medida que a caixa vai sendo utilizada, o material sedimentado em seu interior se acumula, até tornar o trabalho inviável. Nessa ocasião, a água efluente do sistema de lavagem é direcionada para outra caixa, enquanto uma pá mecânica procede a sua limpeza, conforme a Figura 3.7. O material retirado da caixa é rico em matéria orgânica e seu destino é a lavoura de cana. 66 Figura 3.7 Caixa de decantação da água de lavagem de cana.

68 Como pode ser visto na Figura 3.7, a caixa apresenta um trecho de seu fundo em rampa para permitir a entrada da pá mecânica. A água é admitida pelo lado mais fundo do tanque, já com seu ph corrigido para a faixa de 10 a 11, e é retirada limpa pelo lado oposto. O material precipitável é altamente heterogêneo, sendo que sua velocidade de decantação medida em cone de Hinhoff é, em média, de 2,5 m/min. Como as caixas operam até que seu volume fique quase totalmente tomado pelo material decantado, ou seja, de forma intermitente, a sua capacidade é calculada em função do seu volume. A quantia de terra decantada na caixa é proporcional à quantia de cana lavada por hora e do teor de terra na cana, conforme a expressão: terra sedimentada ( kg h)= 10 C t em que: C: cana lavada por hora em tonelada; t: teor de terra na cana em %. Para fins de dimensionamento do decantador, é importante conhecer o volume do material decantado. Para isso utiliza-se a densidade desse material, que é de 1500 kg/m 3, resultando: 3 10 C t 3 terra sedimentada ( m h)= = 66710, C t 1500 O volume das caixas é calculado em função dos dias de operação pretendidos até que ela seja completamente assoreada pela terra. Em geral esse tempo é de sete dias, e se adota uma margem de segurança para o valor encontrado de 100%: volume dacaixa( m 3 )= 2 6, C t 24 d= 032, C t d em que d são os dias de operação da caixa. Como exemplo, podemos considerar uma usina que processa 600 t de cana por hora com um teor de 3% de terra e finalmente considerando que as caixas de sedimentação deverão operar por sete dias, calculamos: volume dacaixa= 032, = 4032 m 3 As caixas são construídas com uma profundidade média de 1,5 m, 10 a 15 m de largura, e comprimento não inferior a 30 m, pois é considerado antieconômico. 67

69 Se adotarmos o padrão de 15 por 40 m de dimensões e 1,5 m de profundidade, para o exemplo, cada caixa apresentará um volume de 900 m 3. Como serão necessários 4032 m 3 de volume de caixas, o seu número será: número de caixas = 4043/900 = 4,49 adotando o número inteiro superior imediato necessitaríamos de cinco caixas Esteira de cana A cana depositada na mesa alimentadora, seja pela ponte rolante ou tombada pelo guindaste tipo hilo, acaba alimentando a esteira de cana em forma de um fluxo contínuo. A esteira por sua vez é responsável pela alimentação do equipamento de extração do caldo, que pode ser tanto um conjunto de moendas como um difusor. A esteira de cana apresenta uma parte horizontal, que é aquela alimentada pela mesa, e uma parte inclinada denominada de elevadora, cujo objetivo é posicionar a cana numa altura que permita alimentar o equipamento de extração, conforme a Figura 3.8. A parte ascendente da esteira deve apresentar uma inclinação em relação à horizontal, variando de 15 a 22. Figura 3.8 Esteira de cana. A largura da esteira é igual à largura dos rolos do primeiro terno de moenda e sua velocidade é igual à metade da velocidade periférica desses rolos. A capacidade da esteira é determinada em função de sua largura, velocidade, altura do colchão de cana e a densidade da cana, conforme a expressão: C= 60 L h v d 1000 = 006, L h v d em que: 68 L: largura da esteira em m;

70 h: altura da cana sobre a esteira em m; v: velocidade da esteira em m/min; d: densidade da cana sobre a esteira em kg/m 3. A densidade aparente dos colmos de cana soltos sobre a esteira varia de um mínimo de 125 a um máximo de 150 kg/m 3. A cana, após ser desfibrada por ação dos jogos de facas, tem sua densidade elevada para 300 kg/m Preparo da cana A cana-de-açúcar tal como é recebida na usina, seja em colmos inteiros ou em toletes, não está em condição de ser processada para a extração eficiente de sua sacarose. Para que as moendas ou o difusor possam operar, é necessário realizar o desfibramento dos colmos pela ação de facas e martelos giratórios, que picam o material até uma dimensão de poucos milímetros, pelos seguintes motivos: a)a massa de cana desfibrada apresenta o dobro da densidade apresentada pela cana inteira, ao redor de 300 kg/m 3 ; b)o material desfibrado se apresenta como uma massa mais homogênea do que os colmos inteiros; c) o ato do desfibramento provoca a abertura das células da cana, possibilitando a extração da sacarose com mais eficiência. O desfibramento da cana pode ser realizado de diversas maneiras, mas o sistema mais adotado no Brasil consiste num conjunto de facas rotativas posicionadas sobre a esteira de cana, que gira a 600 rpm, conforme a Figura 3.9. Figura 3.9 Jogos de facas posicionadas sobre a esteira de cana. 69

71 Originalmente, o preparo da cana no Brasil era realizado por dois jogos de facas, sendo o primeiro jogo denominado nivelador e o segundo, desfibrador. Atualmente, como se deseja trabalhar com canas com alto índice de preparo, adota-se um sistema composto de um jogo de facas, denominado de picador, seguido de um segundo conjunto denominado desfibrador. Os desfibradores consistem num conjunto de martelos rotativos que friccionam a cana previamente picada contra uma placa metálica, provocando a desagregação do material por cisalhamento, conforme pode ser visto na Figura Figura 3.10 Desfibrador de cana Índice de preparo da cana Índice de preparo da cana ou porcentagem de polarização em células abertas na cana é uma medida do preparo da cana. As facas e o desfibrador provocam o rompimento de grande parte das células da cana, possibilitando a extração do caldo com maior facilidade. O índice de preparo da cana depende principalmente da velocidade periférica das facas e dos martelos. Essa velocidade é medida na ponta das facas ou na extremidade dos martelos. 70 O índice de preparo da cana é medido em porcentagem de células abertas, determinada indiretamente como sendo a relação entre a pol da cana preparada após sofrer agitação com água e a mesma amostra ao sofrer o mesmo procedimento após passar por um digestor, que é um equipamento que realiza a abertura de todas as células.

72 O índice de preparo que o desfibrador provoca na cana processada é uma função da velocidade periférica dos martelos: se ela for ao redor de 60 m/seg, o equipamento é denominado desfibrador leve, pois consegue provocar um índice de abertura das células da cana entre 80 e 85%. Já um desfibrador que opera com uma velocidade ao redor de 90 m/seg, conhecido como desfibrador pesado, pode provocar um índice de abertura de células entre 90 e 93%. A cana-de-açúcar, livre da maior parte do material estranho e impurezas pela lavagem e desfibrada, está pronta para ser submetida à próxima operação, que é a extração do caldo Referências HUGOT, E. Manual de Engenharia Açucareira. São Paulo: Mestre Jou, LOPES, C. H. Lavagem de cana e tratamento de seus efluentes. Saccharum, ano 6, n. 27, MONTEIRO, C. E. Disposição final dos despejos líquidos de indústria açucareira e alcooleira. São Paulo: CETESB,

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74 UNIDADE 4 Extração da sacarose moendas e difusores

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76 4.1 Introdução A extração do caldo da cana é uma operação realizada, na maioria das usinas de açúcar e destilarias de álcool brasileiro, pelo processo de moagem, que consiste em fazer a cana-de-açúcar previamente desfibrada ser comprimida entre dois cilindros de moagem. Originalmente, as moendas eram constituídas por dois rolos verticais, movidos pela força animal ou hidráulica. Por volta de 1882, tanto na Louisiana (EUA) como na Austrália, adotaram-se as primeiras moendas com os rolos na horizontal em número de três, como é o processo que perdura até os nossos dias. Quanto ao acionamento desses equipamentos, no fim do século XVIII iniciou-se a adoção das máquinas a vapor recém-inventadas. Atualmente esses equipamentos são acionados por turbinas a vapor ou motor elétrico. A partir da década de 1950, iniciou-se a utilização de um sistema de extração de sacarose por meio de um equipamento denominado difusor. Esse sistema, muito utilizado na indústria açucareira que utiliza a beterraba como matéria-prima, passou então a ser usado também para a cana-de-açúcar. O difusor opera, no caso da cana-de-açúcar, como um lixiviador, pois a sacarose é extraída da cana pela sua lavagem após ter as suas células abertas pela ação de facas e desfibradores. 4.2 Moenda de três rolos Na moenda de três rolos a cana recebe duas pressões, sendo a primeira entre o rolo superior e o rolo inferior dianteiro (rolo de cana) e uma segunda compressão entre o rolo superior e o rolo traseiro (rolo de bagaço). Entre essas duas pressões existe uma peça metálica curva, de ferro fundido, denominada bagaceira, cuja função é encaminhar o material fibroso da primeira compressão até a segunda (ver Figura 4.1). Figura 4.1 Representação esquemática de uma moenda de três rolos. 75

77 4.3 Rolos ou cilindros Os rolos ou cilindros das moendas são geralmente de ferro fundido, com um comprimento de, aproximadamente, o dobro do diâmetro. Sua superfície não é lisa, mas possui ranhuras a fim de facilitar o apanhe ou pega das canas. As ranhuras usadas universalmente são as circulares, gravadas no plano perpendicular ao eixo, resultando em suas seções axiais em forma de dente de serra. Os dentes apresentam-se sob a forma de triângulo isóscele, cujo ângulo do ápice pode variar de 30 a 60. As ranhuras são caracterizadas pela sua altura (h) e seu passo (p), que é a distância entre dois dentes consecutivos. Além das ranhuras dentiformes, são também utilizadas as ranhuras denominadas Chevrons. A adição dessas ranhuras nos rolos tem por objetivo melhorar a alimentação da moenda, porém o bagaço é pouco pressionado no contato dessas ranhuras. A tendência atual é suprimir os Chevrons, utilizando soldas nos frisos. Além da adoção da solda para melhorar os aspectos de apanhe da cana pela moenda, existe também a aplicação visando principalmente a proteção quanto ao desgaste de outros componentes, como a bagaceira, pentes (moendas), martelos (desfibradores) e facas (picadores). 4.4 Bagaceira Como foi visto, o terno de moenda é constituído por três rolos e uma bagaceira. Esta última é construída em ferro fundido ou aço inoxidável e opera como uma ponte de ligação entre o cilindro inferior de entrada e o cilindro de saída, além de atuar na limpeza do rolo de entrada pelo pente que possui em sua extremidade dianteira. Sob o aspecto construtivo, a bagaceira é uma lâmina de metal em que se pode distinguir um lado dianteiro dentado, a qual deve se encaixar perfeitamente com as ranhuras do rolo inferior de entrada e a parte traseira conhecida como calcanhar ou rabo, que pode ou não dispor de ranhuras (Figura 4.2). O perfeito ajuste da bagaceira é de fundamental importância para o bom andamento da moenda. Uma bagaceira ajustada em uma posição muito elevada ocasiona um grande desgaste da peça, além de provocar um aumento do consumo de potência da moenda. Já uma bagaceira numa posição baixa prejudica a sua função de encaminhar a cana do rolo de entrada para o rolo de saída, reduzindo a capacidade de moagem. 76

78 Figura 4.2 Montagem da bagaceira na moenda. 4.5 Conjunto de moagem Um conjunto de moagem ou tandem de moagem é constituído geralmente por 4 a 6 ternos de moenda em série, ligados por esteiras rolantes denominadas condutores intermediários. Após a passagem por todos os ternos de moenda, pode-se considerar que a sacarose contida na cana foi extraída até seu limite econômico (Figura 4.3). Figura 4.3 Conjunto ou tandem de moagem. 4.6 Pressão na moenda Inicialmente, os três cilindros do terno de moagem eram fixados rigidamente em suas posições. Dessa forma, quanto mais espesso fosse o colchão de cana, maior seria a pressão aplicada, podendo, em casos de um volume muito alto de cana, a pressão atingir um valor tal que poderia, inclusive, causar danos ao equipamento. Atualmente o rolo superior é móvel, implicando que a pressão aplicada sobre a cana seja constante. Esse controle da pressão é realizado por um regulador hidráulico, instalado nos cabeçotes superiores da moenda, permitindo uma movimentação vertical do cilindro superior, mantendo a pressão constante independente do volume de cana processada. 77

79 4.7 Pressão hidráulica Uma solução para o problema de aplicação de pressão nas moendas foi o uso da pressão hidráulica, utilizando o princípio Pascal. Esse sistema é projetado de tal forma que o rolo superior pode mover-se por guias sobre o seu suporte (castelo). O rolo superior fica, assim, livre para se movimentar no sentido vertical, recebendo uma pressão hidráulica exercida por um pistão e que utiliza óleo como fluido hidráulico. Esse sistema é constituído por: a) acumulador de placas de ferro fundido; b)bomba de pressão para recalque do óleo; c) manômetro; d) câmara de cabeçote ou cabeçote. 4.8 Acumuladores aero-hidráulicos Introduzido na América do Norte por volta de 1946, o sistema de acumuladores aero-hidráulicos elimina o acumulador e a bomba de óleo. Basicamente, o processo aero-hidráulico compreende simplesmente uma garrafa-reservatório em chapa soldada, ligada a um reservatório geral de ar comprimido. Esses acumuladores podem ser individuais (uma garrafa para cada terno) e podem ser instalados na proximidade do cabeçote da moenda. Em seu interior existe um balão de nitrogênio que se comprime ou se dilata quando o pistão hidráulico sobe ou desce. Essas garrafas são parcialmente cheias por um compressor colocado também na proximidade da moenda. 4.9 Pressão hidráulica específica Como foi visto, o rolo superior exerce uma pressão sobre os inferiores. Essa pressão não é exercida ao longo de toda a superfície do cilindro, mas somente numa fração da mesma. Para fins de estudo, considera-se que a pressão ocorre como se fosse exercida uniformemente na fração da superfície do cilindro que abrange todo o seu comprimento (L) e largura igual à décima parte do seu diâmetro (0,10D). Esta pressão é denominada pressão hidráulica específica (PHE): 78 F PHE = 01, L D

80 em que: F: carga hidráulica total sobre o rolo superior, em t; L: largura do rolo em decímetro; D: diâmetro do rolo em decímetro. As moendas são construídas para receberem uma pressão hidráulica (P) em seus cabeçotes de 250 a 350 kg/cm 2. A carga hidráulica total pode ser calculada em função da pressão hidráulica e da superfície dos cabeçotes (S) da forma apresentada a seguir: F = 2 P S O valor 2 na expressão anterior é porque o rolo superior possui um cabeçote em cada uma de suas extremidades. Exemplo: considerando uma moenda com 30 x 54 de dimensão dos rolos, cabeçotes de 10 (25,4 cm) de diâmetro e uma pressão hidráulica de 250 kgf/cm 2, calcular a pressão hidráulica específica (PHE). D S = 2 π = 4 506, 71 cm A carga hidráulica total será: 2 F= , 71= , 33 kgou 253, 35 t Os valores de L (54 ) e D (30 ), expressos em decímetros são: L = 13,72 dm D = 7,62 dm Logo, o valor da PHE será: 253, 35 PHE= = 22, 51t dm 0113,, , A PHE em geral varia de 12 a 40 t/dm Velocidade dos rolos da moenda A velocidade de rotação dos rolos das moendas é expressa em rotação por minuto (rpm) e pode variar de 4 a 8. Outra maneira de se expressar a velocidade é por meio da velocidade periférica, ou velocidade linear, expressa em metros 79

81 por minuto. Essas duas formas de expressão podem ser interconversíveis pela expressão a seguir: V = π D n em que: V = velocidade periférica em m/min; D = diâmetro do rolo em m; n = velocidade de rotação em rpm. Dos dois tipos de expressão da velocidade, é mais comum expressar em velocidade de rotação. No entanto, para fins técnicos, o importante é a velocidade periférica, pois ela possui uma estreita correlação com a extração da moenda. Em geral, as moendas apresentam uma extração mais ou menos constante de uma velocidade periférica de 18 a 22 m/min, dependendo da moenda, os valores superiores a essa faixa-limite, a extração cai abruptamente Extração O termo extração de um conjunto de moendas indica a fração ou porcentagem do açúcar contido na cana que efetivamente aparece no caldo misto e é enviado à fábrica, sendo que o restante é perdido no bagaço. Dessa forma, se uma moenda apresenta 92% de extração, significa que essa porcentagem de açúcar é enviada à seção seguinte e os 8% restantes permanecem no bagaço e sendo considerados perdidos. De uma forma mais técnica, a extração é definida como sendo a sacarose no caldo misto por cento cana, dividido pela sacarose por cento cana, ou seja: Extração sacarose no caldo misto %cana = 100 sacarose %cana Na prática, pela dificuldade de determinar diretamente o valor da sacarose no caldo misto % cana, esse valor é estimado por diferença em função da equação de balanço de massa da moenda: C + A = J + B em que: 80 C: cana processada em t/h; A: água de embebição em t/h;

82 J: caldo misto em t/h; B: bagaço gerado em t/h. Tornando explícito o valor do caldo misto (J), tem-se: J = C + A B Como o valor de C (cana) é facilmente conhecido, pois a mesma é pesada na balança da usina, nos resta o cálculo de B (bagaço). Pela equação da conservação da fibra, podemos escrever: C f = B f C B em que: C e B: já definidos; f C : teor de fibra na cana; f B : teor de fibra no bagaço. B= C f C fb Considerando S C o teor de açúcar na cana e S B, o teor de açúcar no bagaço, temos: açúcar na cana = SC C; açúcar no bagaço = SB B; açúcar no caldo misto = SC C SB B. Dessa forma, a expressão que nos permite calcular a extração % cana é: SC C SB B E = 100 ou, S C C E = 100 S C S B f C C C f S C C B 81

83 100 SC C fb 100 SB fc C 100 C E = = f S f S S C f S f 100 E = f S f S S f C ( B C C B) C B C B ( B C C B) B Como exemplo, vamos considerar uma moenda que opere uma cana com 12,5% de açúcar, 13% de fibra e gere um bagaço com 46% de fibra e 3% de sacarose. O valor de extração dessa moenda será: S C : 12,5%; f B : 46%; f C : 13% e S B : 3%. Substituindo na fórmula, temos: 100 E = f S f S S f C 100 E = 12, 5 46 ( B C C B) B ( 46 12, ) E = 93, 2% A extração, tal como foi definida até agora, é denominada correntemente extração absoluta. Ela é um importante parâmetro para se avaliar a eficiência do setor de extração, seja ele por moenda ou difusor. No entanto, para estudos comparativos entre moendas diferentes ou entre valores de uma mesma moenda em épocas diferentes, a extração absoluta é falha, pois não leva em conta a influência dos fatores externos que independem da moenda, sendo que desses valores, o mais importante é o teor de fibra na cana. Assim se convencionou, para esses estudos comparativos, calcular a extração corrigida para um teor de fibra padrão, em geral 12,5%, denominada extração reduzida. Das maneiras de se calcular a extração reduzida, a mais aceita é a deduzida pelo técnico indiano Mittal. Considerando que a diferença (1 E) é o açúcar não extraído, ou seja, aquele perdido no bagaço, o teor de açúcar no bagaço seria, consequentemente, a relação. Duas moendas operando com teor de fibra diferente estariam operando equivalentemente quando: 1 E 1 1 = E f f ou seja, quando produzem bagaço com o mesmo teor de açúcar.

84 Considerando E A a extração absoluta, E R, a extração reduzida e o teor de fibra padrão utilizado internacionalmente de 12,5% (0,125 em decimal), podemos escrever: 1 E A 1 = ER f 0, 125 E R Da expressão anterior, podemos tornar E R explícita, obtendo: ( EA ) = 1 0, f Como exemplo, podemos considerar uma moenda cuja extração absoluta seja 94% (0,94) e opere uma cana com 11% de fibra (0,11). Qual é sua extração reduzida? ( ) = 0, , 94 E R = 1 011, 0, 932 Expressando o valor em porcentagem, teríamos uma extração reduzida de Mittal de 93,2%. Considerando uma moenda com extração absoluta de 93,5% (0,935) e que opere uma cana com 13,5% de fibra (0,135), é possível indicar qual é sua extração absoluta e indicar se ela está operando melhor que a moenda do exemplo anterior: ( ) = 0, , 935 E R = 1 0, , Dessa forma, a extração reduzida em porcentagem nesse segundo exemplo é de 94%, ou seja, apesar dessa moenda apresentar uma extração absoluta menor que a do exemplo anterior, ela está trabalhando mais eficientemente, sendo que essa eficiência não é aparente por estar mascarada pelo excesso de fibra na cana que está sendo processada Embebição Com uma simples compressão, por maior que ela seja, não é possível extrair todo o caldo da cana-de-açúcar, pois o bagaço sempre retém uma parte do caldo, de peso aproximadamente igual ao da fibra. Assim, para se obter altas 83

85 extrações de caldo, é necessário realizar várias pressões sucessivas na cana, e, entre essas pressões, aplicar água à massa fibrosa para diluir o caldo retido em seu interior. Devido a esse fenômeno, as moendas são constituídas de diversos ternos (no mínimo quatro e no máximo seis), interligados por esteiras, nas quais é aplicada a água de diluição, denominada embebição. O processo de embebição pode ocorrer das seguintes formas: simples, composta ou com recirculação. A eficiência aumenta da primeira para a última, porém a mais utilizada é a composta, já que a terceira pode causar sérios problemas de alimentação nas moendas. A embebição composta 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, conforme pode ser visto na Figura 4.4. Normalmente, os caldos provenientes dos dois primeiros ternos são misturados e constituem o denominado caldo misto. Com esse sistema, consegue-se extração de 92% a 96% e umidade final do bagaço de aproximadamente 50%. Durante a passagem da cana pelas moendas, ocorre uma queda de fragmentos de cana ou bagaço, denominados bagacinhos. A quantidade de bagacinho deve ser controlada periodicamente, uma vez que a queda excessiva indica deficiência no ajuste das moendas. Figura 4.4 Embebição composta. Ao percorrer os ternos da moenda, a cana vai sofrendo uma alteração em sua constituição, ou seja, a cada pressão aplicada ela perde caldo e a seguir recebe água ou caldo diluído, tornando-se cada vez mais pobre de açúcar e dos demais componentes solúveis. No entanto, a fibra da cana permanece constante ao longo de toda a operação, saindo do último terno sob a forma de bagaço, cuja composição aproximada é de 50% de umidade, 4% de sólidos dissolvidos e 46% de fibra. 84 A embebição é realizada pela colocação de um dispositivo que aplique o líquido sobre o bagaço logo na saída da moenda, seja ele água ou caldo de

86 cana. É importante que a aplicação seja igual ao longo de toda a largura do rolo. Os sistemas de aplicação mais utilizados são: a)tubo perfurado, em que o líquido sai pelos orifícios na forma de filetes que aspergem o bagaço; b)bicos injetores, por onde o líquido sai sob pressão, formando um jato que atinge o bagaço; c) calhas de transbordamento, que derramam o líquido sob a forma de uma cortina sobre o bagaço. A quantidade de água utilizada na embebição é um parâmetro muito importante para a obtenção de uma boa extração de sacarose pela moenda. De modo geral, quanto maior a quantia de água aplicada maior é a extração, mas como essa água ocasiona uma diluição do caldo com consequências negativas para o balanço térmico da usina, além de prejudicar a capacidade de processamento de cana da moenda, existe um limite para a sua aplicação. A maioria dos técnicos que atuam no setor considera que a embebição não deve superar em muito o dobro da massa de fibra da cana que está sendo processada, ou seja, ela deveria ser de aproximadamente 200% da fibra. Assim, considerando uma cana com 13% de fibra, a embebição não deveria superar em muito a taxa de 260 litros de água por tonelada de cana processada, que muitos técnicos expressam como sendo de 26% da cana Capacidade das moendas Define-se capacidade de uma moenda como sendo a quantia de cana que ela pode moer por unidade de tempo, economicamente. Entende-se que uma moenda está operando economicamente quando ela apresenta uma extração compatível com as expectativas do empresário. Em geral, o nível de extração econômica varia com as condições do local onde está implantada. Em locais como o Havaí e a África do Sul, a extração econômica das moendas está na faixa de 96 a 98%. No Brasil, mais especificamente no Estado de São Paulo, até alguns anos a usina considerava como boa uma extração na faixa de 92 a 94%. Hoje nota-se que a tendência é partir para uma extração na faixa de 94 a 96%. Dessa forma, as moendas devem ser operadas de modo a fornecerem uma extração nessa magnitude. A capacidade das moendas é expressa em toneladas de cana esmagada por hora, ou toneladas esmagadas por dia, que muitos autores abreviaram de forma não muito correta para TCH e TCD, respectivamente. A moagem horária (TCH) é calculada pela quantia real de cana esmagada no decurso de uma hora. A moagem diária não 85

87 se calcula pela multiplicação por 24 da moagem horária, mas levando em conta as horas paradas da moenda por falta de cana, reparo ou limpeza. Segundo Hugot (1977), uma moenda bem operada não deve perder mais que 1% do tempo disponível ao longo do dia. Assim, a transformação de TCH em TCD é realizada multiplicando o primeiro por 23,75. A capacidade de uma moenda depende de um grande número de fatores, dos quais apresentamos a seguir os mais significativos: teor de fibra na cana; dimensão dos rolos (diâmetro e largura); velocidade de rotação dos rolos; número de ternos da moenda; características do preparo da cana; sistemas de alimentação da cana; pressão hidráulica aplicada; regulagem da moenda; energia disponível no equipamento; capacidade técnica do pessoal que opera a moenda. A seguir estudaremos alguns dos fatores citados anteriormente Teor de fibra na cana Como alguns autores chegam a considerar que a moenda na prática processa a fibra e não a cana, conclui-se que quanto maior for o teor de fibra, mais trabalho é exigido da moenda, e por consequência, menor a sua capacidade. Resumindo, a capacidade de uma moenda é inversamente proporcional ao teor de fibra na cana Dimensão e velocidade de rotação dos rolos 86 A quantia de cana que é esmagada pelos rolos da moenda na unidade de tempo é a equivalente a um manto de largura (L) igual ao do rolo, altura (h) igual à abertura entre o rolo superior e o de entrada, e que atravessa a referida abertura numa velocidade igual à velocidade periférica (v) dos rolos. A velocidade periférica pode ser calculada em função do diâmetro (D) e da velocidade de rotação do rolo (n).

88 A velocidade periférica da moenda é proporcional ao diâmetro do rolo (D) e sua velocidade de rotação (n) em rpm: V =π D n O volume de cana processada é o produto da velocidade pela seção transversal da abertura da moenda (L x h); Volume esmagado = L h π D n em que L é o comprimento do rolo e h, a abertura de entrada. A massa de cana esmagada é calculada dividindo a expressão anterior pela densidade da cana (d) no seu ponto de maior compressão. Volume esmagado = L h π D n d Da expressão anterior pode-se depreender que a quantia de cana esmagada é diretamente proporcional ao comprimento do rolo, a sua largura e a velocidade de rotação dos rolos Número de ternos da moenda A influência do número de ternos ou de rolos na capacidade de moagem é reconhecida por todos os técnicos açucareiros. No entanto, existem divergências quanto à quantificação dessa influência. Parr & Whisher (apud HUGOT, 1977) consideram que a moagem é diretamente proporcional à raiz quadrada do número de rolos. Entretanto, Nayar (apud HUGOT, 1977) considera como sendo diretamente proporcional ao número de rolos simplesmente, existindo muitas outras opiniões Características do preparo da cana A influência do preparo da cana na moagem está relacionada ao fato de que as facas tendem a aumentar a densidade da cana, ou seja, a cana após ser cominuída é mais compacta que as canas inteiras. Segundo Hugot (1977), um jogo de facas pode aumentar a moagem em 15%, 2 jogos em 20% etc. Os outros fatores que influem na moagem são de difícil quantificação e não são considerados nas fórmulas que em geral são usadas. 87

89 Existem várias fórmulas para o cálculo da moagem, sendo que a fórmula devida a Hugot (1977) é a que apresentamos a seguir: 2 ( ) 08, c n 1 0, 06 ndl D N A = f sendo: A: capacidade da moenda em TCH; F: teor de fibra na cana em decimal; L: largura dos rolos em metros; D: diâmetro dos rolos em metros; n: velocidade de rotação dos rolos em rpm; N: número de rolos do tandem ; N1: número de ternos de moenda no tandem ; N2: número de pressões fornecidas pelo tandem (cada terno de moenda conta como duas pressões); c: coeficiente devido ao preparo da cana, podendo assumir os valores: Um jogo de facas 1,15 Dois jogos de facas 1,20 Três jogos de facas 1,25 Um jogo de faca mais um desfibrador 1,28 Dois jogos de facas mais um desfibrador 1,34 Além do preparo da cana, os equipamentos auxiliares de alimentação como calha de alimentação forçada (Chute Donelly), rolo de pressão e rolo alimentador também influem na capacidade da moenda. Em geral, o rolo de pressão, que praticamente se constitui num quarto rolo da moenda, aumenta a moagem em 16%. Os rolos alimentadores e a calha de alimentação forçada elevam a moagem em 5% Consumo de potência e acionamento 88 A operação de esmagamento da cana pela moenda necessita de uma fonte de força motriz para girar os rolos e comprimir a cana-de-açúcar de forma que o caldo seja separado de sua parte fibrosa, sendo essa força gerada por máquina

90 térmica tipo motor, turbina a vapor ou por motor elétrico. Como as moendas giram em baixa velocidade, em geral 6 rpm, e as máquinas acionadoras podem girar até rpm como é o caso das turbinas, torna-se necessária a instalação de um sistema de redução de velocidade que compatibilize o acionamento com a moenda. Esse sistema pode ser composto por uma série de engrenagens, algumas de grande diâmetro, ou por redutores planetários bastante compactos. Em geral, as moendas dispõem de acionamento combinado, ou seja, uma mesma turbina aciona dois, três e às vezes quatro ternos. No entanto, algumas usinas podem também optar pelo acionamento individual. A potência consumida pela moenda é em geral expressa em HP ou kw por tonelada de cana processada por hora (HP ou kw/tch) ou, mais acertadamente, em HP por tonelada de fibra por hora (TFH). Essa demanda pode variar de 12 a 20 HP/TCH (aproximadamente 1,5 a 2,5 HP/TFH). Na moenda, essa potência é efetivamente consumida: a) na compressão do bagaço; b)nas fricções entre pontas de eixos e mancais dos rolos; c) na fricção entre o bagaço e a bagaceira; d)na fricção dos pentes e dos dentes da bagaceira contra os rolos; e) no acionamento dos condutores intermediários; f) na potência absorvida pelo sistema de redução de velocidade. Caso a moenda disponha de rolo de pressão, deve-se acrescentar o consumo de potência por esse equipamento, que corresponde a 10% do total. A estimativa da potência consumida na moenda pode ser feita por várias fórmulas, das quais as principais são as propostas por Parr & Hugot (1977), que transcrevemos a seguir: T = 020, p nd em que: T: potência consumida por terno em HP; p: pressão hidráulica em tonelada; n: velocidade dos rolos em rpm; D: diâmetro dos rolos em metro. 89

91 4.19 Extração por difusor O processo de extração da sacarose da cana utilizando difusor contínuo já era utilizado nas usinas de açúcar de beterraba da Europa desde antes da Segunda Guerra Mundial. A partir da década de 1950 se adaptou o difusor para processar cana-de-açúcar, passando a ser utilizado em países como a Austrália, África do Sul e inclusive no Brasil, onde sua adoção tem sido crescente nos últimos anos. Convencionou-se chamar esse equipamento de difusor devido ao fenômeno de difusão, que seria o princípio físico de seu funcionamento. No caso da cana-de-açúcar, na prática, o fenômeno consiste predominantemente numa lixiviação, ou seja, a lavagem da sacarose contida nas células da cana previamente abertas pelo desfibrador na operação de preparo da cana. A alta temperatura no interior do equipamento (entre 70 a 80 C) também tem a função de permeabilizar a parede celular da cana para a sacarose. Dessa forma, o denominado difusor necessita de um bom preparo da cana, seguramente mais eficiente do que aqueles adotados pelas moendas, devendo apresentar um índice de células abertas ( open-cells ) da cana superior a 90%. A cana assim preparada é percolada pelo líquido, em geral em sentido contrário ao seu movimento no aparelho, permitindo que os açúcares passem da cana desfibrada para o líquido. O difusor necessita também de um sistema de aquecimento para o caldo, a fim de evitar a proliferação de micro-organismos no interior do equipamento, além de tornar permeável a parede celular como já foi exposto. A grande maioria dos difusores existentes é do tipo leito móvel, em que a massa desfibrada é movimentada sobre um transportador sob a forma de um leito com 0,4 a 2,0 m de espessura. O líquido que atravessa esse leito é recolhido em captadores colocados sob o condutor. O líquido coletado num captador é bombeado para o setor anterior e assim sucessivamente, de forma que se pode dizer que o líquido circula em contracorrente com a cana em movimento. O número de estágios de recirculação varia de 8 a 16 em função do tipo de equipamento, conforme o esquema da Figura Figura 4.5 Esquema de um difusor de cana de leito móvel.

92 No final do equipamento é aplicada a água de embebição numa razão de 200 a 250% da fibra na cana. O número de estágios de recirculação é definido em função do tipo de difusor utilizado: a)difusor de bagaço: equipamento onde a cana é processada por um terno de moenda, que extrai entre 60 e 70% da sacarose, sendo o bagaço então enviado para um difusor de 8 a 9 estágios, que extrai o restante da sacarose. No final existe outro terno de moenda que extrai a umidade do bagaço. Este sai do difusor com 70% de umidade que é reduzida pela moenda para aproximadamente 50%; b) difusor de cana: equipamento que processa diretamente a cana desfibrada, sem uma moenda no início. Esse equipamento é formado por 12 a 16 estágios de recirculação e, como o equipamento anterior, possui um terno de moenda instalado na saída para extrair o excesso de umidade do bagaço. Na Figura 4.6 podemos ver o sistema de recirculação de líquidos no difusor com mais detalhes. Figura 4.6 Detalhe do sistema de recirculação num difusor. O sistema de recirculação do líquido em contracorrente no difusor proporciona a manutenção de um diferencial de concentração entre as soluções praticamente constante ao longo do difusor. Dessa forma, a concentração do caldo aumenta gradualmente até atingir seu máximo no captador situado junto à entrada da cana no difusor, de onde é bombeado para peneiramento e daí para o processo. Analogamente, o bagaço que segue em direção à parte final do difusor tem seu Brix diminuído de captador para captador até atingir um mínimo no final do equipamento, como pode ser visto na Figura

93 Figura 4.7 Curva do Brix da cana nos captadores de um difusor Referência HUGOT, E. Manual de Engenharia Açucareira. São Paulo: Mestre Jou,

94 UNIDADE 5 Tratamento do caldo Parte 1

95

96 5.1 Introdução O caldo da cana-de-açúcar, tal como é extraído pelas moendas ou pelo difusor, não apresenta características físico-químicas que possibilitem a produção de um açúcar que atenda às especificações dos compradores e às exigências de órgãos governamentais ou entidades internacionais. Esse caldo possui uma composição bastante complexa, em que estão presentes, além da sacarose, diversos componentes como outros açúcares não sacarose, não açúcares orgânicos e diversos componentes inorgânicos. Os materiais presentes no caldo se apresentam tanto sob a forma solubilizada como a sacarose, a glicose e a frutose, como sob a forma de suspensão coloidal como as proteínas e alguns polissacarídeos. O caldo apresenta também impurezas sob a forma de partículas suspensas com 1 mm ou menos de tamanho, denominadas material grosseiro. O objetivo do tratamento do caldo da cana é a retirada dessas impurezas o tanto quanto for possível, utilizando métodos físicos como filtração, decantação etc. e métodos químicos, como a adição de hidróxido de cálcio (leite de cal) ou bióxido de enxofre (gás sulfito). 5.2 Tipos de tratamento do caldo Costuma-se dividir o tratamento do caldo em duas etapas, em função do material a ser retirado: a)tratamento preliminar: consiste numa série de operações físicas destinadas a separar o material grosseiro presente no caldo, como partículas de terra, fragmentos de cana (bagacinho) etc.; b)tratamento físico-químico: constituído pelo conjunto de operações físico- -químicas destinadas a retirar material coloidal ou em solução presente no caldo, além de corrigir o seu ph para valores próximos a sete, para evitar a inversão da sacarose. 5.3 Tratamento preliminar do caldo O caldo misto originário das moendas apresenta certa porcentagem de material grosseiro suspenso, que pode oscilar entre 0,1 e 1,0%. Os caldos gerados pelo processo de extração por difusor apresentam uma baixa presença desses sólidos, pois uma filtragem é realizada por meio das múltiplas passagens pelo leito de cana. Essa suspensão presente no caldo originário de moenda é formada predominantemente por fragmentos do colmo ou das folhas com menos de 1 mm de tamanho, e também por material proveniente do solo. 95

97 Os processos para realizar a retirada desse material podem ocorrer por meio de decantação, hidrociclones ou peneiramento. Cada uma dessas operações é avaliada pela sua capacidade de remoção das suspensões, além de outros parâmetros como a possibilidade de servir como local de proliferação de micro-organismos ou a facilidade de limpeza. 5.4 Decantadores A separação de material suspenso no caldo misto por decantação está praticamente abandonada por ser um processo bastante susceptível de sofrer contaminação microbiológica, como pelo leuconostoc mesenteroides, que produz um polissacarídeo denominado de dextrana, extremamente prejudicial ao processo tecnológico de fabricação de açúcar, como também à qualidade do produto final. Esses decantadores apresentam uma eficiência de remoção do material suspenso muito baixa (ao redor de 20%), o que desaconselha a sua utilização. 5.5 Hidrociclones O hidrociclone é formado por uma parte cilíndrica que opera recebendo uma alimentação tangencial do caldo, resultando num vórtice do líquido em seu interior, que por sua vez gera uma força centrífuga que provoca a separação das partículas. As partículas, por apresentarem uma densidade maior que a do caldo, dirigem-se à periferia do cilindro e descem espiralando para a parte cônica do equipamento, de onde são retiradas, conforme pode ser visto na Figura Figura 5.1 Descrição de um hidrociclone.

98 O hidrociclone apresenta uma taxa de remoção de material insolúvel do caldo numa faixa que varia de 60 a 90%, que são valores bastante altos. Por outro lado, trata-se de um equipamento que necessita, para operar eficientemente, de uma pressão de admissão e uma vazão bastante constante, que resultou no seu abandono pelas indústrias açucareiras. 5.6 Peneira de rastelos (cush-cush) Consiste numa peneira fixa disposta horizontalmente, localizada bem próximo da moenda, com abertura que varia de 0,5 a 2 mm, utilizada para reter o denominado bagacinho. O material retido é retirado por rastelos que o enviam para uma rosca sem fim que, por sua vez, o devolve para a moenda entre o primeiro e segundo terno, ou mesmo antes do primeiro terno. Esse equipamento apresenta uma grande flexibilidade operacional e capacidade de separação. No entanto, por ser um local de fácil contaminação microbiológica, sua utilização tem diminuído nos últimos anos. Esse equipamento apresenta as seguintes características: largura da tela: 45 a 60 cm; número de perfurações por cm 2 variando de 13 a 100, sendo 50 o valor mais recomendado; área perfurada da tela: 17 a 36%; superfície da tela: 0,05 a 0,1 m 2 por TCH. 5.7 Peneira estática Equipamento constituído por barras espaçadas entre si de 0,35 a 1,0 mm, formando uma superfície que inicialmente se apresenta quase na vertical, descrevendo uma curva para no final se apresentar quase na horizontal, conforme pode ser visto na Figura 5.2. Esse tipo de peneira apresenta a característica de ser autolimpante, pois o próprio caldo a ser peneirado impulsiona o material insolúvel retido para fora da tela. A peneira estática é de fácil limpeza e apresenta um baixo nível de contaminação microbiológica. Sua capacidade de retenção de material insolúvel pode chegar a 80%, dependendo do espaçamento entre as barras. 97

99 Figura 5.2 Peneira estática. 5.8 Peneira vibratória Equipamento constituído por uma superfície telada levemente inclinada, que é submetido a vibrações geradas por um mecanismo excêntrico ou eletromagnético. Esse equipamento tem capacidade de reduzir o teor de bagacinho no caldo de um valor entre 0,6 a 1,5 g por litro para 0,4 a 0,5 g por litro, e apresenta as seguintes características: Cálculo da peneira Superfície necessária Consumo de potência Vibrações Orifícios Superfície perfurada 30 a 40 TCH por m de largura 0,02 a 0,03 m 2 /TCH ± 2 HP/peneira ± 600 por minuto 0,2 a 0,8 mm 26% da área da tela 5.9 Peneira rotativa É composta por um cilindro horizontal giratório, cuja superfície lateral é formada por uma tela. O caldo de cana é aplicado no interior do cilindro, atravessando a malha e retendo o bagacinho. A capacidade de retenção desse equipamento chega a 83%, e por apresentar facilidade de limpeza e ser de fácil desinfecção microbiológica, tem tido uma boa aceitação pelas usinas e destilarias para o tratamento primário do caldo. Segundo os fabricantes, esse tipo de peneira tem uma capacidade de processar de 30 a 35 m 3 /h de caldo para uma superfície de tela de 0,45 m 2, ou seja: 98

100 0,02 m 2 de superfície por m 3 de caldo/hora. A literatura cita uma capacidade de processamento de 0,1 m 2 de superfície/tch ou m 3 de caldo por hora (ver Figura 5.3). Figura 5.3 Peneira rotativa Tratamento físico-químico do caldo O caldo de cana após a eliminação da maior parte do material insolúvel grosseiro é encaminhado para um tratamento destinado a retirar se possível todo o material em suspensão, seja sob a forma de partículas ou de material coloidal, e também de muitos constituintes solúveis. O tratamento realizado pela aplicação de produtos químicos e calor visa atingir os seguintes objetivos: a) máxima eliminação de não açúcares; b) máxima eliminação de coloides; c) caldo com baixa turbidez; d) mínima formação de cor; e) máxima taxa de sedimentação; f) volume mínimo de lodo; g) baixo teor de cálcio no caldo clarificado; h) ph adequado para evitar inversão da sacarose e decomposição dos açúcares redutores. Para uma usina cuja produção seja de açúcar branco do tipo cristal, o tratamento consiste numa aplicação de ácido sulfuroso, denominada sulfitação, 99

101 seguido da calagem (adição de cal), aquecimento e separação do material precipitado por decantação, conforme apresentado no fluxograma da Figura 5.4. Além dos produtos convencionais, dependendo da qualidade do açúcar a ser produzido ou da qualidade da matéria-prima, pode-se utilizar outros produtos como auxiliares de clarificação, como ácido fosfórico, polímeros eletrolíticos etc. O caldo de cana apresenta um ph original entre 5,0 e 5,5, que deve ser reduzido para 3,8 a 4,3 pela adição do sulfito e a seguir elevado a um patamar entre 6,8 e 7,0 pela adição de hidróxido de cálcio. Atualmente, as normas quanto à presença de sulfito residual no açúcar estão cada vez mais rigorosas, levando as usinas a limitarem a sua aplicação, que está em torno de 250 a 400 g de SO 2 por litro de caldo (125 a 200 g de enxofre por litro de caldo). Figura 5.4 Fluxograma do processo de tratamento do caldo de uma unidade produtora de açúcar cristal Sulfitação No processo de fabricação de açúcar branco é utilizada a operação de sulfitação, que se constitui na adição de sulfito (bióxido de enxofre) e que tem as seguintes funções no processo: a) produz um precipitado de pequenos cristais de sulfito de cálcio que possuem grande atividade superficial sendo, portanto, fortemente absorvente e um poderoso auxiliar de decantação; b) apresenta uma ação fortemente bactericida que elimina os micro-organismos no caldo; 100 c) por ser um forte redutor, o sulfito atua sobre as substâncias corantes do caldo reduzindo a cor. Também reage com os açúcares redutores inibindo a formação de componentes que apresentem cor;

102 d)é um redutor de viscosidade dos fluidos, facilitando a decantação e a cristalização da sacarose; e)apresenta um efeito inibidor do escurecimento do açúcar no armazém por bloqueio dos grupos carbonílicos, essenciais para formação de compostos coloridos. O ácido sulfuroso utilizado para a sulfitação é o resultante de queima do enxofre elementar na própria usina, conforme a equação química a seguir: S+ O 2 SO 2 Essa reação é altamente exotérmica, ocorrendo uma liberação de Kcal por quilograma de enxofre queimado, e deve ser realizada em ausência de água a fim de se evitar a formação de SO 3 (anidrido sulfúrico), conforme a equação química a seguir: SO + 12O SO Para evitar esse problema, em especial pelo fato do anidrido sulfúrico ser altamente corrosivo e gerador de sulfatos que podem causar incrustações nas operações subsequentes como a evaporação, deve-se secar o ar de combustão e evitar a ocorrência de excesso de ar, que causa a elevação de SO 3, conforme o gráfico da Figura 5.5. Na curva do gráfico da Figura 5.5, tem-se na abscissa o teor de SO 2 nos gases resultantes da queima, e, na ordenada, o teor de sulfato (SO 3 ). Pela curva pode-se ver que quanto maior o teor de SO 2, ou seja, menor o excesso de ar, menor a quantia de SO 3 gerado na combustão. Gás com baixo teor de SO 2 e elevado excesso de ar implica em alta formação de sulfato. Figura 5.5 Relação entre a porcentagem de SO 3 e SO 2 nos gases resultantes da combustão do enxofre. 101

103 O processo de sulfitação nas usinas de açúcar consiste na geração de gás e sua absorção pelo caldo de cana. A queima é realizada por forno rotativo seguido de uma caixa de término da combustão e de sublimação do enxofre não queimado. Os gases são, então, resfriados e encaminhados para o dispositivo de absorção (conforme a Figura 5.6). Figura 5.6 Sistema de sulfitação utilizado na produção de açúcar branco. Os gases de SO 2 gerados no forno de combustão de enxofre, com 6 a 14% de sulfito, devem ser resfriados a uma temperatura inferior a 200 C, a fim de minimizar a formação de sulfatos. O resfriamento ocorre logo na saída da câmara de sublimação, num sistema de troca térmica constituído por um tubo encamisado, por onde circula água como fluido de refrigeração Forno de enxofre Entre os diversos fornos de enxofre existentes, o mais adotado em nosso país é o denominado tambor rotativo, que pode ser visto na Figura 5.7. Nesse tipo de forno, o enxofre é queimado num equipamento cilíndrico horizontal que gira de 5 a 6 rpm e realiza a combustão na temperatura de 750 C. 102 Figura 5.7 Forno rotativo para queima de enxofre.

104 A capacidade de processamento desse equipamento é proporcional à sua área interna, sendo necessária uma área de 0,06 m 2 para a queima de 1 kg de enxofre por hora. A área S do forno em m 2 é de: S= 314, L D em que: D: diâmetro do tambor em m; L: comprimento do tambor em m (em geral de 2,5 a 3,4 vezes o diâmetro) Absorção dos gases O gás de SO 2 gerado pela queima do enxofre no forno é encaminhado para o dispositivo onde deve ocorrer a sua absorção pelo caldo de cana, que consiste num sistema onde ocorre o contato entre a fase líquida com a fase gasosa. O sistema mais utilizado em nosso país é a denominada coluna de sulfitação seguido do sistema de multijato, também bastante utilizado. A coluna de sulfitação é constituída por uma torre vertical cilíndrica construída em aço inoxidável com dispositivos internos de contato, que podem ser bandejas com borbulhadores, bandejas tipo chapéu chinês ou pratos perfurados. Este último sistema é o mais adotado, por ser o que propicia um maior contato entre as fases. A colina é alimentada pela sua parte superior, e o caldo desce por gravidade em contracorrente com os gases ricos em SO 2, que são alimentados pela parte inferior do equipamento. Os gases isentos de SO 2 saem por aspiração pela parte superior, enquanto o caldo com o gás sulfito sai pela parte inferior (ver Figura 5.8). Figura 5.8 Coluna de sulfitação constituída por bandejas perfuradas. 103

105 Outro processo já citado para absorção do SO 2 pelo caldo é o denominado multijato, em que os gases sulfurosos produzidos no forno de enxofre são arrastados hidrodinamicamente pelo caldo de cana, o que resulta numa intensa mistura, com a absorção do gás pelo líquido. Na Figura 5.9 apresentamos o fluxograma desse processo, indicando o multijato e a coluna barométrica geradora do vácuo, que realiza a aspiração dos gases sulfurosos. Figura 5.9 Fluxograma do processo de sulfitação pelo sistema de multijato. O corpo multijato que realiza a mistura do gás com a fase líquida é apresentado na Figura Figura 5.10 Multijato utilizado para absorver os gases sulfurosos.

106 5.14 Caleagem A adição da cal sob a forma de leite de cal é um procedimento quase universal para a fabricação de açúcar. A cal em solução está na forma de hidróxido de cálcio, e seu uso visa elevar o ph do caldo de seu vapor original (entre 5 e 5,5) para um valor próximo a sete, em que apresenta a dupla função: a)inibir a inversão da sacarose em glicose e frutose; b) precipitar as impurezas do caldo Óxido de cálcio ou cal A cal, ou óxido de cálcio (CaO), é obtida pela queima de rochas calcárias, ou carbonato de cálcio (CaCO 3 ), que pela ação de elevada temperatura (de 900 a 1200 C) se dissocia conforme a equação química: CaCO +42,5kcal CaO 3 +CO 2 A cal apresenta uma tendência de realizar a reação inversa, ou seja, reagir com o CO 2 da atmosfera e regenerar o carbonato numa reação denominada recarbonatação. Essa reação é catalisada pela presença de umidade, portanto, o produto deve ser armazenado em local fechado, livre de contato com a atmosfera e não ser estocado por um tempo prolongado. Uma cal de qualidade deve apresentar um alto teor de CaO em sua composição, conforme a classificação a seguir: >90% Excelente Entre 80 a 90% Bom Entre 75 a 80% Razoável <75% Inferior 5.16 Hidróxido de cálcio A cal virgem, ou o óxido de cálcio, ao ser misturada com a água reage quimicamente resultando no hidróxido de cálcio: CaO+H2O Ca(OH) 2 Cal + Água Hidróxido de cálcio 105

107 Essa reação é bastante exotérmica, liberando elevada quantidade de calor. O produto é uma suspensão grosseira e coloidal de hidróxido em água, devido à baixa solubilidade do produto. O local onde o hidróxido é armazenado deve estar sob constante agitação, a fim de evitar a sua decantação. O hidróxido de cálcio é preparado pela sua dissolução com 2 a 3 partes de água, que posteriormente é diluída até formar uma suspensão com 4 a 5% de hidróxido. Para que se tenha uma suspensão formada por partículas finas, recomenda-se a utilização de água quente nessa dissolução. Existem vários processos para a formação da suspensão de cal, conforme podemos ver nas figuras 5.11 e Figura 5.11 Hidratador de cal rotativo com os tanques de sedimentação e de preparo. 106 Figura 5.12 Hidratador de cal tipo piscina.

108 5.17 Calcário dolomítico A utilização de calcário dolomítico ou magnesiano, que consiste num produto rico em magnésio, tem sido preconizada para algumas situações. Com esse tipo de calcário que apresenta um teor de MgO (óxido de magnésio) na ordem de 30% ou mais, por apresentar um peso molecular inferior ao óxido de cálcio, a quantia necessária para realizar a neutralização do caldo é menor. O hidróxido de magnésio possui um poder neutralizante 27% maior que o hidróxido de cálcio. Outro fator que tem atraído a atenção para esse tipo de calcário é o de que o Mg++ forma sais solúveis, por exemplo, o sulfato de magnésio. Com isso, a formação de incrustação em equipamentos como os evaporadores é bastante reduzida. Como a reação que envolve o Mg++ é mais lenta do que aquela que envolve o Ca++, é necessário que o tempo de contato para que a neutralização se efetive seja maior que o normal Aquecimento do caldo Além da adição de produtos como a cal sulfito (para o caso da fabricação de açúcar branco do tipo cristal), o tratamento do caldo consiste também no aquecimento deste até uma temperatura ao redor de 105 C. O objetivo dessa operação é a remoção das albuminas e impurezas coloidais, induzindo a sua separação por decantação pela floculação e precipitação. A temperatura do caldo não deve superar muito os 105 C, pois isso pode provocar a emulsificação das ceras, tornando difícil a sua separação. O aquecimento é realizado em trocadores de calor, utilizando o vapor de escape das turbinas, cuja pressão é em torno de 1,5 kgf/cm 2. Utiliza-se também vapor retirado das caixas evaporadoras, em especial de seu primeiro corpo, denominado pré-evaporador. O aquecimento pode ser dividido em duas etapas, sendo uma antes da sulfitação, denominada aquecimento primário, e uma após a caleagem, denominada aquecimento secundário. Alguns autores como Hugot (1977) falam em aquecimento em várias etapas, de forma que ele seja gradual. O modelo de aquecedor mais utilizado pelas usinas brasileiras é o denominado carcaça e feixe tubular, em que o caldo a ser aquecido circula pelo interior dos tubos e o vapor utilizado como agente de aquecimento circula pelo exterior dos tubos (ver Figura 5.13). 107

109 Figura 5.13 Aquecedor carcaça/tubos com múltiplas passagens. Também são utilizados aquecedores do tipo horizontal, que trabalham com velocidades do caldo no interior do tubo bem maiores que os aquecedores verticais. Esses aparelhos apresentam os tubos mais compridos que os dos aquecedores verticais Superfície de aquecimento É o parâmetro mais importante para o aparelho, e seu cálculo pode ser feito pela expressão: S = p c k ln T t T t 0 1 em que: S: superfície de aquecimento em m 2 ; p: vazão do caldo em kg/h; c: calor específico do caldo em kcal/g C; k: coeficiente de troca térmica em kcal/h.m 2 C; 108 T: temperatura do vapor de aquecimento em C;

110 t 0 : temperatura de entrada do caldo em C; t 1 : temperatura de saída do caldo em C Coeficiente de transferência de calor (k) O coeficiente global de troca térmica (k) dos trocadores de calor para aquecimento do caldo é medido em kcal/h.m 2 C. De uma forma simplificada, sem incorrer em grandes erros, podemos considerar o valor de k como sendo proporcional à velocidade v do líquido nos tubos, em m/s: k = 900 v De uma forma mais precisa em função também da temperatura do vapor T, em C: ( ) k = T 5 + v Os aquecedores convencionais devem operar com velocidade sempre superior a 1 m/s e inferior a 2,5 m/s, pois a perda de carga pode se tornar muito elevada. O coeficiente de troca térmica se situa em 800 kcal/h.m 2 C. Aquecedores de alta velocidade (2 m/s) são também utilizados, tendo um k ao redor de 1400 kcal/h.m 2 C Incrustações Na passagem do caldo, algumas impurezas precipitam-se no aquecedor, formando incrustações como silicatos, sulfitos, fosfatos e fibra de cana, que diminuem o coeficiente de troca térmica e elevam a perda de carga. Do lado onde passa o vapor, ocorre a deposição de óleo de lubrificação das turbinas e máquinas Tipos de aquecedor De modo geral, são trocadores de calor tipo carcaça/tubo tanto com tubos verticais como horizontais. Podem ser utilizados também trocadores de calor de placas ou em espiral, mas seu uso está muito restrito pelo alto preço. Os aquecedores tubulares com tubos verticais estão menos sujeitos a incrustações e ocupam pouco espaço. 109

111 Os horizontais tendem a utilizar tubos longos e apresentam menor perda de carga. Na prática, ambos produzem ótimos resultados, mas a preferência das usinas tem recaído sobre os verticais Calor específico do caldo Pode-se estimar o calor específico do caldo como sendo a média entre o calor específico do açúcar e da água. C = C b+ Ca 1 b solução s ( ) C solução = calor específico da soluçãoaconcentraçãob C calor específico do açúcar 0, 301cal g C s = ( ) C a ( ) = calor específicodaágua 100, cal g C b = concentraçãodeaçúcar em fração decimal ponderal C solução 03, 01 B B = B = concentraçãodeaçúcar em % de peso Csolução = 0, 007B Hugot (1977) recomenda, segundo dados práticos, a seguinte fórmula: C solução = 1 0, 006 B 5.24 Calor perdido A perda de calor nos trocadores de calor para aquecimento de caldo varia de 5 a 10% segundo Tromp (apud HUGOT, 1977), e em 4 a 8% segundo Hugot (1977). O valor em geral adotado em projetos é de 5%. 110

112 5.25 Isolantes térmicos Isolantes térmicos consistem em material utilizado no revestimento do equipamento e servem para diminuir a perda de calor para o meio ambiente. Segundo Salmoni (1966), o coeficiente de troca térmica dos isolantes deve ser de 0,02 Kcal/h/m 2 C, devendo apresentar as seguintes características: a) resistência à temperatura a qual devem ser submetidos; b) fácil aplicação; c) baixo custo; d) resistência à ação de agentes atmosféricos, biológicos e mecânicos. No comércio, existem vários isolantes disponíveis, dos quais os principais são a lã de vidro, o amianto e a diatomita Dimensionamento dos aquecedores O cálculo dos aquecedores é realizado por meio de três fórmulas deduzidas das leis gerais da condução de calor por meio de uma superfície, onde de um lado circula um fluido a ser aquecido e de outro o fluido aquecedor. No nosso caso, é o vapor que cede o seu calor latente de condensação. A quantidade de vapor a ser gasto (M) é determinada pela expressão: ( ) M = p c t t Z L 0 O cálculo da temperatura final do fluido a ser aquecido é dado pela expressão: t = Z M t p c + t 0 O cálculo da área da superfície de troca térmica é realizado pela expressão: S = p c T t0 ln K T t em que: M: quantidade de vapor em kg; S: superfície de aquecimento em m 2 ; 111

113 p: peso do caldo em kg/h; c: calor específico do caldo em cal/ C Kg; T: temperatura do vapor em C; t o : temperatura de entrada do caldo em C; t: temperatura de saída do caldo em C; K: coeficiente global de troca térmica em Kcal/h/m 2 / C; L: calor latente do vapor de aquecimento em Kcal/kg; Z: coeficiente de eficiência (em geral 0,95) Perda de carga O escoamento do caldo nos aquecedores ocorre em regime turbulento com um número de Reynolds que está na faixa de a e seu cálculo pode ser realizado segundo a fórmula proposta por Hugot (1977): v J = 0, N l + 1 D ( ) em que: J: perda de carga em m de coluna de água; v: velocidade do caldo nos tubos em m/s; N: número de circulação; l: comprimento de tubos em m; D: diâmetro interior dos tubos em m. O número 0,0025 corresponde ao coeficiente de resistência dos tubos, que é bastante variável, e o valor adotado corresponde a tubos medianamente incrustados Exemplo de cálculo Considerando uma vazão de 70 m 3 /h de caldo de cana a 15 Brix a 27 C, que deve ser aquecido a 105 C por vapor de escape a 1,5 Kg/cm 2 (± 127 C), qual a superfície de troca térmica necessária, adotando-se uma velocidade de caldo nos tubos de 1 m/s? 112

114 cálculo do calor específico: C= 1 0, = 091, Kcal kgc cálculo do valor de K: 2 K = 127( 5+ 1)= 762 Kcal/ h/ m / C Substituindo na fórmula de cálculo de S, tem-se: , S = ln S =130,46 m 2 Adotando-se um coeficiente de segurança ao redor de 20%, recomenda- -se a aquisição de dois trocadores de calor de 80 m 2 cada, num total de 160 m 2. Caso a indústria não pare nos fins de semana para limpeza, recomenda-se a aquisição de três trocadores de 80 m 2 que operem em rotação, estando sempre dois em operação e um em limpeza Referências HUGOT, E. Manual de Engenharia Açucareira. São Paulo: Mestre Jou, SALMONI, R. Transmissão de calor. São Paulo: Mestre Jou, p. 113

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116 UNIDADE 6 Tratamento do caldo Parte 2

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118 6.1 Decantação do caldo O caldo de cana, após sofrer aquecimento e ter recebido os produtos para o tratamento químico, como o gás sulfuroso e a cal, é enviado para um equipamento onde os flocos são formados e decantam, eliminando-se assim grande parte das impurezas coloidais ou dissolvidas presentes no caldo. No início da indústria açucareira, essa operação era realizada de forma descontínua em uma série de decantadores que exigiam uma grande área para a sua instalação, um grande número de operários e um maior consumo de vapor. Atualmente utilizam-se processos contínuos, cujo precursor foi o clarificador desenvolvido por Demig. Porém, o decantador que teve mais êxito foi o Dorr, que surgiu em Cuba no ano de Posteriormente surgiram muitos outros como o Cach, o Graver etc., todos baseados no sistema de bandejas múltiplas. Investigações realizadas na Austrália demostraram que o decantador sem bandejas apresenta uma série de vantagens em relação aos convencionais (CO- PERSUCAR, 1985). 6.2 Objetivos da decantação A operação de decantação do caldo de cana é utilizada universalmente para produzir tanto açúcar bruto do tipo demerara ou VHP como açúcar branco destinado ao consumo humano direto. Sob o ponto de vista prático, os objetivos dessa operação são: a)proporcionar coagulação e precipitação tão completa quanto possível do material coloidal; b) provocar uma alta velocidade de decantação do material floculado; c) propiciar que o material decantado seja de alta densidade, de forma que o volume de lodo formado seja mínimo; d) produzir um caldo tratado com baixa turbidez. 6.3 Causas de uma clarificação desfavorável Os fatores que podem provocar uma clarificação desfavorável do caldo são os relacionados a seguir: a)precipitação incompleta dos coloides provocada pelo pequeno tamanho das partículas ou por apresentarem uma densidade baixa, próxima à da água; 117

119 b) precipitação lenta provocada pela alta viscosidade do caldo ou pela pequena diferença de densidade entre as partículas e a fase líquida; c) produção de um grande volume de borras; d)baixa densidade das borras, que pode ser devido à sua forma ou pela ocorrência da hidratação das partículas. 6.4 Mecanismo da sedimentação A velocidade de sedimentação das partículas depende de seu tamanho, sua forma e sua densidade, bem como densidade e viscosidade do caldo. A decantação de uma partícula num meio fluido pela ação da gravidade é regida pela lei de Stokes apresentada a seguir: ( ) V K D 2 d = d g µ em que: V: velocidade de sedimentação em cm/s; D: tamanho médio da partícula em cm; d 1 : densidade da partícula em g/cm 3 ; d 2 : densidade do meio fluido em g/cm 3 ; g: aceleração da gravidade em cm/s 2 ; π: viscosidade do líquido, Poise; K: constante que depende da forma da partícula. Experimentalmente, a velocidade de sedimentação está ao redor de 13 cm por minuto, mas para fins práticos recomenda-se utilizar o valor de 2 cm por minuto. Uma sedimentação rápida é favorável toda vez que as partículas alcançam uma densidade superior a 1,5. As partículas de forma esférica e grande são as que sedimentam mais rapidamente. 6.5 Efeitos práticos da clarificação 118 Quando a clarificação não é muito eficiente, pela má aplicação de reagentes ou pela própria qualidade do caldo, observa-se uma variação do ph entre os compartimentos do decantador. Essa irregularidade poderá resultar na inversão

120 da sacarose seguida da destruição dos açúcares redutores, dando a formação de ácidos orgânicos. A retenção do caldo no decantador por um tempo longo pode também provocar a inversão da sacarose e a destruição dos açúcares redutores, o que significa que o tempo de retenção deve ser o mais curto possível. Em geral, o caldo no decantador apresenta um ganho de pureza devido à destruição da frutose (levulose), que é levorrotatória, restando apenas a glicose que é mais resistente e altamente destrorrotatória. Dessa forma, a polarização do caldo sofre um aumento e consequentemente a pureza. Ocorre também uma diminuição do Brix ocasionado pela destruição dos redutores e a formação de ácidos. Muitas indústrias açucareiras utilizam um parâmetro denominado Coeficiente Glucósico (C. G.) para avaliar a taxa de inversão que ocorre na clarificação, sendo que esse fator corresponde à relação entre o teor de açúcares redutores do caldo em relação à sua polarização: 100 açúcares redutores CG..= sacarose pol ( ) A elevação do valor do C. G. é um indicador de que ocorreu inversão da sacarose durante o processo de clarificação. 6.6 Perdas de açúcar no decantador As perdas de açúcar durante a decantação, principalmente devido à inversão da sacarose, são estimadas entre 0,2 e 0,3% do total de açúcar no caldo, podendo atingir 1% em condições extremamente desfavoráveis. 6.7 Paradas para limpeza Como uma certa quantia de lodo fica retida no aparelho decantador e como esse material é um excelente meio de cultura, as bactérias termófilas encontram boas condições para sua proliferação. Após algum tempo, essas bactérias podem produzir gases que, por sua vez, geram turbulências que retardam a precipitação dos flóculos. O maior período de operação dos decantadores sem que ocorra a sua liquidação e limpeza não deve exceder a seis semanas. 119

121 6.8 Decantador contínuo Os decantadores contínuos ou clarificadores se apresentam sob a forma de um reservatório cilíndrico e dispõem de uma série de dispositivos internos, como bandejas cônicas, onde ocorre a decantação do material floculado. Dispositivos raspadores realizam movimentos rotatórios, removendo os materiais precipitados para a parte central do equipamento, de onde eles descem até o fundo, onde são compactados e removidos sob a forma de um lodo. O caldo clarificado é retirado lateral e radialmente, conforme pode ser visto na Figura 6.1. Quanto aos decantadores que possuem bandejas internas, estas apresentam uma inclinação de 16 e seu número varia de 3 a 5, dividindo o equipamento em compartimentos que são: câmara de coagulação com 500 a 700 mm de altura. Está situada na parte superior; câmara de caldo clarificado, localizada na parte intermediária. Sua altura varia de 600 a 850 mm; câmara de lodo na parte inferior, de onde se retira o material precipitado, com altura variando de 1500 a 1700 mm. Figura 6.1 Decantador de caldo. 6.9 Decantadores rápidos 120 O decantador rápido foi idealizado por Hale-Whyman, do Sugar Research Institute (SRI), Mackey, Austrália. A opinião desses técnicos é a de que o uso de bandejas múltiplas é supérfluo, bastando uma única bandeja. O aumento de eficiência desse tipo de decantador ocorre principalmente pela eliminação do

122 fluxo horizontal do caldo, de modo que a velocidade vertical se torna a única componente importante na decantação. Figura 6.2 Decantador rápido tipo SRI Lodo O material precipitado e compactado na parte inferior do decantador é retirado sob a forma de um lodo que corresponde, em geral, a 10% do volume do caldo misto, mas que frequentemente pode atingir valores maiores, de até 25%. Esse material apresenta a seguinte composição: Umidade 70 a 80% Sólidos totais 20 a 30% Brix refratométrico 21 a 32% Polarização 12 a 18 Z 6.11 Balão de flash O caldo tratado enviado para o decantador apresenta certa quantia de diferentes produtos gasosos dissolvidos. Esses produtos podem se separar no interior do equipamento sob a forma de bolhas, que provocam turbulências e prejudicam a decantação dos flocos. Para retirar esses gases, o caldo aquecido a uma temperatura superior à temperatura de ebulição (em geral 105 C) é enviado a um vaso de expansão à pressão atmosférica. Esse equipamento é posicionado acima do decantador 121

123 onde o caldo, após evaporar por flash uma pequena parte de sua água e ter seus produtos gasosos incondensáveis eliminados, escoa por gravidade para o interior do clarificador, conforme a Figura 6.3. Figura 6.3 Localização do balão de flash em relação ao decantador. Sob o ponto de vista construtivo, o equipamento possui aspecto como apresentado Figura 6.4, e deve apresentar uma área que proporcione um tempo de retenção do líquido entre 3 e 5 minutos, para que a degasagem seja efetivada. Figura 6.4 Detalhe do balão de flash Tempo de retenção num decantador Nos decantadores, se considera-se o tempo de retenção médio do caldo em seu interior como sendo a relação entre o seu volume útil e a vazão média do caldo a ser tratado. Dependendo do tipo do decantador, esse tempo pode variar de 1 hora nos equipamentos denominados rápidos até 3 horas nos equipamentos denominados lentos. As vantagens e desvantagens dos equipamentos rápidos ou lentos estão apresentadas a seguir: Vantagens do decantador rápido 122 a) apresenta baixo tempo de retenção (1 hora aproximadamente);

124 b) menor volume, portanto fácil de encerrar as atividades (liquidar); c) custo baixo de implantação. Desvantagens do decantador rápido a) altamente sensível a variações de fluxo, o que exige automação do processo e gasto excessivo com polieletrólito; b) alto consumo de polímeros; c) apresenta dificuldade de decantação com Brix elevado; d) não é aconselhável na fabricação de álcool por exigir insumos químicos; e) resulta na presença de resíduo insolúvel no caldo, requerendo a instalação de equipamentos para retirá-lo. Vantagens do decantador lento a) alta estabilidade a variações de fluxo; b) apresenta um lodo mais concentrado com menos recirculação de méis; c) baixo consumo de polímeros; d) opera bem, mesmo com Brix elevado. Desvantagens do decantador lento a)maior tempo de retenção (superior a 2 1 /2 horas); b)apresenta volumes internos inoperantes (na parte superior) que podem servir de locais de infecção; c) alto custo de implantação; d)destruição de sacarose e formação de compostos coloridos devido ao alto tempo de retenção Separação do material insolúvel do lodo O decantador produz um caldo clarificado, com um mínimo de material em suspensão, que é enviado à operação de evaporação e cristalização para a produção do açúcar. O outro fluxo gerado pelo decantador é o do lodo, onde se encontra o material insolúvel precipitado o qual deve ser separado para que esse caldo, que representa 10% ou mais do volume total, possa ser aproveitado. A separação era inicialmente realizada por filtro prensa, sendo que posteriormente passou-se a utilizar os filtros rotativos a vácuo e mais recentemente, prensas desaguadoras. 123

125 6.14 Filtro rotativo a vácuo O filtro rotativo a vácuo, ou Oliver Campbell, é formado por um tambor rotativo com seu eixo na posição horizontal e que se encontra parcialmente mergulhado no lodo a ser filtrado. A superfície periférica do tambor é coberta com uma tela que serve de superfície filtrante, formada por orifícios de 0,5 mm de abertura em número de 100 a 115 por cm 2. O tambor gira numa velocidade de 3 a 9 rpm e a taxa de filtração corresponde de 200 a 400 litros de caldo por m 2 de superfície filtrante por hora. Como o diâmetro dos orifícios da superfície filtrante é grande em relação ao tamanho das partículas a serem retiradas, são utilizados pequenos fragmentos de bagaço, denominados bagacinho, como auxiliar de filtração, que forma um leite de pré-filtro permeável sobre a tela. Pode-se considerar que a camada de bagacinho é o verdadeiro elemento de filtração no filtro rotativo a vácuo. Sua aplicação ocorre na razão de 6 a 8 kg por t de cana processada. No interior do tambor rotativo é aplicado um vácuo que provoca a aspiração do líquido, que passa para o interior do equipamento, ficando o material insolúvel retido na sua superfície (ver Figura 6.5). Em geral, esse filtrado retorna à calagem para receber um novo tratamento ou pode ser encaminhado à fermentação para ser utilizado na fabricação de álcool. Figura 6.5 Filtro rotativo a vácuo. 124 Sob o ponto de vista funcional, o filtro opera da seguinte forma: quando o tambor gira, a seção da tela que mergulha no caldo aspira este por ação do vácuo, retendo na superfície o bagacinho e o material insolúvel. Após essa fase, a superfície emerge do caldo e passa para a seção de lavagem da torta, a fim de retirar a maior parte do açúcar que ela contém, minimizando as perdas. Nessa seção é aplicada água por jatos sobre a torta. O vácuo aspira essa água, que leva em solução a sacarose da torta. Normalmente, utiliza-se água quente nesse processo, a fim de diminuir a viscosidade do líquido, aumentando a taxa de

126 filtração. A seguir, a torta passa pela seção de secagem, onde é aplicado um grande vácuo para aspirar o restante de sua umidade, a fim de que se processe a fase seguinte, em que o vácuo é quebrado e a torta é retirada da superfície do filtro por uma raspadeira (ver Figura 6.6). Figura 6.6 Vista lateral de um filtro rotativo a vácuo com indicação das suas diferentes seções Torta do filtro A torta de filtro é formada na razão de 20 a 40 kg por t de cana e consiste num resíduo de cor marrom escura, utilizado como fertilizante das lavouras. Sua composição química é muito variada, dependendo de uma série de fatores, como a variedade da cana, o tipo do tratamento do caldo, o tipo de filtro etc. A grande quantidade de material lipídico na torta fez dela uma matéria-prima para a obtenção de ceras. Em alguns países, a torta tem sido utilizada como componente de ração animal, apesar de poucas referências a essa utilização na literatura. Sua composição aproximada é relacionada a seguir: Água 70 a 75% Matéria orgânica 28 a 29% Material mineral 1 a 2% Sacarose 1 a 4% Fibra 4% Cera 2% Lipídios 1,6% SiO 2 0,8% CaO 0,8% Nitrogênio 0,4% K 2 O 0,02% 125

127 6.16 Superfície filtrante A superfície filtrante de um filtro rotativo a vácuo deve ser em média de 0,5 m 2 por tonelada de cana processada por hora. Usinas que utilizam sistema de extração por difusor necessitam de uma área menor, devido ao aparelho produzir um caldo com menor porcentagem de material coloidal. Os filtros são normalmente comercializados pelas suas dimensões em pés, sendo que os mais comuns e suas superfícies são: Dimensão (pés) Superfície (m 2 ) Dimensão (pés) Superfície (m 2 ) 7x6 12,2 10x10 28,8 7x8 16,3 10x12 34,5 7x10 20,4 10x14 40,4 7x12 24,5 10x16 46,1 7x14 28,6 10x18 52,2 7x16 32,7 10x20 57,7 8x8 19,4 Dimensão 8x9 20,7 (mm) 8x10 23,0 3000x ,7 8x12 27,6 3000x ,9 8x14 32,2 3000x ,7 8x16 36,8 3000x ,4 3000x ,1 3000x , Bagacinho O bagacinho é obtido pela peneiragem do bagaço, na esteira transportadora na saída da moenda ou em peneiras especiais. A malha utilizada pode ser de 56 orifícios por dm 2 ou chapa de ferro perfurada. As necessidades de malha são de 0,1 a 0,5 m 2 de superfície, por tonelada de cana processada. O bagacinho separado pela peneira é transportado pneumaticamente, num sistema composto por ventilador que impulsiona o material por uma tubulação que termina num hidrociclone que o deposita numa caixa onde ele é misturado com o lodo. 126 A proporção e o tamanho das partículas de bagacinho são fatores importantes para se obter altos valores de retenção de sólidos no filtro. Para se atingir uma alta retenção de material insolúvel na filtração, deve-se adicionar bagaci-

128 nho na proporção de 30% da matéria seca no lodo a ser filtrado, o que significa de 4 a 12 kg por t de cana. Alta concentração de sólidos no lodo também é importante para se atingir um alto valor de retenção de insolúveis Retenção de insolúveis no filtro A avaliação do sistema de filtração é realizada medindo a sua capacidade de separação dos sólidos insolúveis, ou seja, a porcentagem dos sólidos solúveis presentes no lodo que foi retido na torta do sistema de separação: material insolúvel na torta R = 100 material insolúvel no lodo Como o material insolúvel retido na torta é a diferença entre o material insolúvel no lodo e no filtrado, podemos escrever: R= 100 M m M em que: R: retenção em porcentagem; M: quantidade de material insolúvel no lodo; m: quantidade de material insolúvel no filtrado. Apesar de constituir um equipamento altamente prático, o sistema de filtração existente tem uma eficiência bastante baixa, sendo que o equipamento mais utilizado, o filtro rotativo a vácuo, apresenta valores entre 50 e 70% de retenção dos insolúveis, sendo esse o motivo do caldo filtrado não apresentar condições de ser utilizado para a fabricação de açúcar sem retornar para um novo tratamento Prensa desaguadora Atualmente existe uma alternativa para o filtro rotativo que é o sistema de duas peneiras que formam uma cunha. Esse sistema tem tido aceitação em diversas empresas e apresenta em muitos casos um comportamento melhor que o do filtro rotativo. Esse equipamento é formado por duas superfícies filtrantes que comprimem o material insolúvel, conforme pode ser visto na Figura 6.7. O lodo proveniente do 127

129 decantador é despejado sobre a superfície filtrante onde o caldo filtrado escoa por gravidade. Numa segunda parte, é aplicado vácuo sob a superfície filtrante para acelerar a velocidade de filtração. Nessas fases, a torta sofre uma lavagem e segue para o setor onde ambas as telas se unem em cunha, comprimindo a torta, conforme pode ser visto na figura a seguir. Figura 6.7 Prensa desaguadora para o tratamento do caldo Outros reagentes utilizados no tratamento do caldo O teor de fosfatos nas canas brasileiras varia de 150 a 200 ppm, na forma de P 2 O 5, enquanto uma boa clarificação exige um teor de 300 a 350 ppm. Dessa forma, a diferença é complementada pela adição de fosfato grau alimentício. Esse fosfato reage com o cálcio adicionado na calagem, formando um precipitado floculento de fosfato dicálcico e fosfato tricálcico que, ao precipitar, realiza o arraste por adesão das partículas suspensas e de alguns coloides. Os compostos formados pela reação com o ácido fosfórico têm a propriedade de auxiliar a separação de sais de ferro, não açúcares nitrogenados e lipídios presentes no caldo. Na operação de clarificação, são também utilizados compostos floculantes que têm a propriedade de agregar os pequenos flocos primários, resultando em flocos de grande tamanho que apresentam uma grande velocidade de decantação. Esses compostos floculantes são polímeros eletrolíticos da acrilamida que são inicialmente dissolvidos em água formando uma solução bastante diluída. A cadeia do polímero possui grupos ativos catiônicos ou aniônicos que atraem eletricamente as pequenas partículas, conforme pode ser visto na Figura 6.8, formando o floco secundário de tamanho maior. 128

130 Figura 6.8 Representação de uma cadeia de um polímero agregando pequenas partículas em suspensão Remoção das impurezas do caldo O sistema de tratamento do caldo tem por função remover o material coloidal do caldo e todo o composto insolubilizado pela reação com a cal e o sulfito. Também se objetiva remover materiais coloridos ou que possam atuar como precursor de cor do açúcar produzido. Alguns elementos como os polifenóis são removidos na razão de 40 a 50%, e os aminoácidos, compostos também precursores da cor em açúcar, são removidos na mesma proporção. Outros compostos, como os sais de cálcio e magnésio, podem sofrer um crescimento de sua concentração durante a clarificação, não sendo raros os casos em que o caldo clarificado apresenta um teor desses materiais em nível superior ao caldo não clarificado. A seguir pode-se ver a proporção de remoção de diversos compostos inorgânicos do caldo de cana durante o seu tratamento. Elemento Caldo misto Caldo clarificado Redução % Cálcio 0,65% 0,46% 29 Ferro 352 ppm 18 ppm 95 Alumínio 69 ppm 4 ppm 94 Sódio 91 ppm 73 ppm 20 Manganês 71 ppm 12 ppm 83 Silício 1012 ppm 679 ppm Referência COPERSUCAR. Boletim Técnico. Piracicaba: [s.n.],

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132 UNIDADE 7 Evaporação

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134 7.1 Introdução Evaporação é a operação unitária que tem por objetivo a concentração de soluções pela remoção de parte dos seus componentes voláteis que para a quase totalidade dos casos o solvente volátil em questão é a água. A evaporação tem por objetivo retirar a água de uma solução resultando num produto líquido de maior concentração, distinguindo-se da operação de secagem em que o objetivo é também a retirada de água, mas de um sólido, resultando num produto também sólido, mas com menor teor de umidade. A evaporação do caldo de cana clarificado no processo de fabricação de açúcar tem por objetivo elevar a concentração dos sólidos dissolvidos até um valor o mais próximo possível do ponto de cristalização da sacarose, que está entre 78 e 80% de sólidos dissolvidos ( Brix). Na prática, a evaporação do caldo de cana é realizada para elevar a sua concentração até um valor entre 60 a 70 Brix, quando passa a ser denominado xarope. No contexto da Engenharia Química, a evaporação de uma solução líquida com o propósito de elevar sua concentração é uma prática comum e é realizada de muitas maneiras. O aparelho mais simples é o tacho evaporador a céu aberto, que recebe calor por aquecimento por fogo direto ou pela aplicação de vapor. Este sistema ainda é utilizado em pequenas unidades artesanais de produção de açúcar mascavo. O sistema mais eficiente e em uso nas atuais usinas de açúcar consiste na utilização de caixas evaporadoras fechadas, aquecidas por vapor através de feixes tubulares, que operam tanto em pressão maior ou menor que a atmosférica. Assim, o evaporador pode ser considerado como sendo um tipo especial de trocador de calor, e sua operação é regida pelas mesmas leis de troca térmica. Na Figura 7.1, podemos ver a representação esquemática de um aparelho evaporador conhecido como caixa de Robert, que, apesar de muito antigo, ainda é utilizado na maioria das usinas de açúcar. A grande vantagem do evaporador tipo Robert é poder operar praticamente sem controle ou automatização, sendo que o caldo circula através dele por transbordamento. Outro tipo de evaporação utilizada na indústria de açúcar é o de película ascendente ou descendente, que pode ser de feixe tubular ou a placas. Os evaporadores tubulares de película são geralmente de filme descendente. Todos os evaporadores de película operam com bomba de recirculação, o que significa um consumo maior de energia. Também necessitam de uma instrumentação para garantir que não ocorrerá caramelização do caldo em caso de falta deste nos tubos. 133

135 Os evaporadores de película a placas de filme ascendente foram instalados em vários países, inclusive no Brasil. A recirculação do caldo é indispensável para garantir uma boa distribuição entre as placas. O principal problema dos evaporadores a placas é o seu alto custo inicial, pois, trata-se de equipamentos que devem ser construídos em aço inoxidável e cujos componentes são importados. Figura 7.1 Corpo evaporador de feixe tubular vertical. 7.2 Princípios da evaporação O princípio da evaporação é fundamentado na hipótese de que as soluções são compostas por um material não volátil na temperatura do processamento, denominada soluto ou matéria seca, e por um solvente volátil que é a água. A concentração dessa solução é dada em porcentagem mássica que são gramas de soluto contidas em 100 gramas de solução. Essa concentração em porcentagem mássica é denominada, nas indústrias alimentares em geral e na indústria açucareira em particular, graus Brix. 134 Considerando que a quantidade de soluto permanece constante ao longo do processo evaporativo e que ela é proporcional ao produto da massa pela concentração da solução, podemos escrever:

136 Mi Ci = Mf Cf ou, Mf = Mi Ci Cf em que: Mi: massa inicial da solução em kg; Ci: concentração inicial da solução em Brix; Mf: massa final da solução em kg; Cf: concentração final do produto em Brix. A quantia de água a ser evaporada (E) pode ser calculada por diferença: E= Mi Mf ou, E Mi Mi Ci Ci = = Mi Cf 1 Cf Exemplificando, consideremos 1000 kg de caldo de cana com 15 Brix que pretendemos elevar para 60 Brix por evaporação, calcular a massa do xarope gerado e a quantia de água evaporada: Massa final do produto = = 250 kg 60 Água evaporada = = 750 Dessa forma, podemos concluir que a evaporação reduz em quatro vezes a massa do caldo de cana. 7.3 Elevação do ponto de ebulição durante a evaporação A presença de um soluto não volátil numa solução resulta na elevação do ponto de ebulição do solvente (EPE). Esta é uma propriedade das soluções estudadas pelo químico Raul em 1854, tendo ele elaborado uma lei que leva o 135

137 seu nome (lei de Raul), que diz ser a elevação do ponto de ebulição uma função da natureza do solvente e da molalidade da solução: EPE = ke M em que: EPE: já definido, expresso em C; ke: constante ebuliométrica, dependente da natureza do solvente; e que, para o caso da água, equivale a 0,52 C/mol; M: molalidade da solução dada em mol do soluto por 1000 g do solvente. Normalmente, as soluções a serem evaporadas têm sua concentração expressa em porcentagem mássica de soluto ( Brix), devendo então a equação de Raul ser adaptada para este tipo de expressão, conforme a seguir: 1000 C M = 100 P C P em que: M: molalidade da solução; C: concentração em % em peso; P: peso molecular do soluto em dáltons. Dessa forma, podemos escrever: ke 1000 C EPE = P 100 C ( ) Caso se tenha uma solução de sacarose pura (C 12 H 22 O 6 ), cujo peso molecular é 342, e sabendo que o ke da água é 0,52, teremos: 052, 1000 C 152, C EPE = C 100 C ( ) = 136 Como o caldo de cana é uma solução impura, em que a sacarose é o componente predominante, dentre dezenas de outros constituintes orgânicos e inorgânicos, na prática a equação que correlaciona o EPE com o Brix se apresenta da seguinte forma:

138 22, C EPE = 100 C Numa evaporação em bateladas, a céu aberto, à medida que a concentração do produto for se elevando, o mesmo ocorre com a sua temperatura de ebulição. Na Figura 7.2 é apresentada a curva que correlaciona a temperatura de ebulição e a concentração de um caldo de cana, em que 90% dos sólidos dissolvidos era sacarose e o restante, outras substâncias sólidas solúveis, tais como glicose, frutose, sais orgânicos, sais inorgânicos etc. Figura 7.2 Curva de elevação do ponto de ebulição de caldo de cana. A elevação do ponto de ebulição do caldo de cana a ser evaporado resulta numa perda de salto térmico, ou seja, a diferença de temperatura entre o caldo e o vapor de aquecimento, diminuindo assim a troca térmica do equipamento. 7.4 Consumo de vapor nos evaporadores Os tachos evaporadores, aquecidos pela utilização de vapor aplicado no feixe tubular ou outro sistema qualquer de troca térmica, utilizam o calor para realizar duas atividades, a saber: a) aquecimento do produto de sua temperatura original até a sua temperatura de ebulição (Q A ); 137

139 b)evaporação da água na quantia necessária para que a concentração atinja o valor desejado (Q E ). É necessário também fornecer uma quantia adicional de calor (Q P ) para suprir as perdas que inevitavelmente acompanham esse processo. A magnitude dessas perdas está relacionada aos cuidados que se tenha, como, a utilização de isolantes térmicos. Assim, podemos considerar o calor total (T) consumido na evaporação como sendo: T = Q A + Q E + Q P Como: ( ) = λ Q = W C t t e Q E A f i P Tem-se: T = W C ( t t )+ E λ + Q f i P em que: Q: calor requerido em kcal/h; W: massa da solução diluída em kg; t f : temperatura da solução em ebulição em C; t i : temperatura inicial da solução em C; C: calor específico do líquido em kcal/kg C; E: massa de água a ser evaporada em kg; π: calor latente de vaporização da água em kcal/kg; Q P : perdas. 7.5 Evaporação em múltiplo efeito O processo de evaporação, tal como vimos, apresenta como grande limitação o seu grande consumo de energia térmica para proceder à retirada da água. Por exemplo, uma solução a 20 Brix que se queira concentrar a 60 Brix necessita que se evapore água correspondente a quase 70% de seu peso, o que demanda algo como kcal para processar 100 kg de matéria-prima. 138 O problema do elevado consumo de energia pela evaporação atraiu a atenção do inventor franco-americano Norbert Rillieux, na Louisiana (EUA), que em 1844 patenteou um sistema em que dois evaporadores foram acoplados entre si,

140 de forma que o primeiro era aquecido por vapor originário da caldeira e o segundo recebia o vapor gerado na evaporação que ocorria no primeiro equipamento. O líquido a ser evaporado, que no caso do experimento de Rillieux era o caldo de cana, passava de um corpo para outro, sofrendo assim duas evaporações sucessivas utilizando praticamente a mesma quantia de vapor, conforme pode ser visto na Figura 7.3. Figura 7.3 Evaporação em duplo efeito. Rillieux constatou que os equipamentos assim acoplados demandavam aproximadamente a metade do vapor que a quantidade necessária para realizar a mesma concentração em um único evaporador. O inventor realizou experimentos com três e quatro caixas ou corpos evaporadores acoplados da mesma forma e constatou que a demanda de vapor caia para a terça parte quando utilizadas três caixas, e a quarta parte quando utilizadas quatro caixas, em relação a consumida pelo sistema convencional de um só evaporador. Esse sistema foi denominado de evaporação em múltiplo efeito em contraposição ao sistema de simples efeito, realizado por um único evaporador. O sistema de múltiplo efeito passou a ser denominado conforme o número de evaporadores acoplados de duplo efeito (duas caixas), tríplice efeito (três caixas), quádruplo efeito (quatro caixas) etc., como apresentado na Figura 7.4, para quatro efeitos. Figura 7.4 Evaporação composta por quatro caixas evaporadoras (quádruplo efeito). 139

141 Sob o ponto de vista teórico, o número de efeitos a ser utilizado num sistema de evaporação poderia ser tão grande quanto se queira, mas na prática o número é bastante limitado. Cada corpo da evaporação necessita de certo diferencial de temperatura entre o vapor de aquecimento e a temperatura de ebulição do líquido em seu interior, para que a transferência de calor possa ocorrer. Em geral, essa temperatura deve ser superior a 10 C para que a necessidade de superfície de troca térmica do equipamento seja viável economicamente. Deve se considerar que esta diferença de temperatura acaba sendo reduzida pela perda de temperatura provocada pela EPE (elevação do ponto de ebulição) e também pela perda de salto térmico ocasionada pela coluna hidrostática de líquido dentro dos tubos dos evaporadores. Considerando que a temperatura do vapor que aquece o primeiro corpo do evaporador seja de 130 C, a temperatura do vapor retirado do último corpo seja de 60 C e um salto térmico de 10 C, o número de efeitos máximo a ser utilizado seria de: ( ) 10 = 7 Nas indústrias produtoras de açúcar de beterraba, costuma-se utilizar evaporação com esse número de efeitos, assim como em indústrias produtoras de xarope concentrado de laranja. Nas usinas de açúcar que utilizam a cana-de- -açúcar como matéria-prima, a evaporação opera em quíntuplo efeito. 7.6 Acessórios de uma evaporação Entre os acessórios de uma evaporação, podemos citar as bombas necessárias para alimentar o equipamento e retirar o líquido concentrado. Nos evaporadores de circulação forçada, existe a bomba de recirculação. O aparelho deve dispor também de equipamento para regular o nível das caixas e medidores de temperatura e pressão. 140 Como todos os equipamentos que utilizam vapor como agente de aquecimento, as caixas evaporadoras devem dispor de um dispositivo que retire o vapor após a sua condensação (condensado). Este equipamento, conhecido como purgador, consiste numa válvula que abre para a passagem da água em estado líquido, mas não permite a saída da água no estado vapor. Existem diversos tipos de purgadores sendo sua instalação realizada conforme a Figura 7.5. Na Figura 7.6, tem-se um purgador do tipo termostático, cujo funcionamento está baseado na diferença de temperatura entre o vapor e o líquido condensado. O equipamento possui uma válvula que permanece aberta enquanto o condensado circula em seu interior. Tão logo o condensado seja totalmente eliminado, o

142 vapor começa a sair e, por apresentar uma temperatura maior, provoca a dilatação do corpo termossensível, fechando a sua saída. Figura 7.5 Instalação de um purgador de condensado num tacho evaporador. Entre os tipos de purgadores disponíveis no mercado, temos o purgador de boia representado na Figura 7.7. Seu funcionamento se baseia no princípio que a válvula permanece fechada enquanto o equipamento está cheio de vapor. Quando o condensado preenche de líquido o equipamento, provoca a flutuação da boia, que ao se elevar abre a válvula permitindo a saída do líquido. Assim, a boia abaixa bloqueando novamente a saída do vapor. Figura 7.6 Purgador termostático. Figura 7.7 Purgador de boia. 141

143 7.7 Separador de arraste Devido à intensa ebulição que ocorre na calandra do evaporador, muitas gotículas de caldo são atiradas ao corpo do evaporador. Uma parte dessas gotículas volta a cair sobre a calandra, enquanto as restantes, as menores, são arrastadas pelos vapores ascendentes, resultando numa perda significativa de açúcar, que pode chegar a 3%. Quanto maior foi o vácuo existente no interior do corpo de evaporação, maior é o perigo da ocorrência de arraste. A fim de se evitar essa perda, os evaporadores dispõem em sua parte superior de um dispositivo que por ação centrífuga retém essas gotículas, fazendo-as retornarem ao interior do equipamento. Com isso, as perdas por arraste se reduzem a valores inferiores a 0,1%. Na Figura 7.8, observa-se a concepção de um separador de arraste. Nele o vapor é forçado a mudar bruscamente de direção, fazendo com que as gotículas, que pela sua massa possuem maior inércia, se choquem e adiram a uma chapa metálica em que escorrem para o interior do corpo. Figura 7.8 Separador de arraste no topo do evaporador. Figura 7.9 Separador de arraste do tipo ás de ouro. 142 Figura 7.10 Separador de arraste do tipo grade.

144 Como os separadores de arraste colocados no topo do evaporador muitas vezes não são eficientes, em especial quando o vácuo é grande, é instalado um separador auxiliar externo que funciona sob o mesmo princípio (figuras 7.9 e 7.10). 7.8 Coeficientes de transmissão de calor O cálculo dos evaporadores de múltiplo efeito está relacionado com o coeficiente de transmissão de calor entre o vapor e o caldo por meio da parede dos tubos que formam o feixe tubular ou das placas quando o equipamento utiliza este tipo de evaporador. Existem diversos modos de se expressar esse coeficiente. A seguir, apresentaremos alguns: a)taxa de evaporação: consiste no número de kg de vapor formado no corpo por hora e por m 2 de superfície de aquecimento; b)taxa de evaporação específica: consiste no número de kg de vapor formado no corpo por hora, por m 2 de superfície de aquecimento e por grau de queda de temperatura entre o vapor e o caldo; c) taxa global de troca térmica: consiste na quantidade de quilocalorias transmitidas por hora, por m 2 de superfície de aquecimento e por grau de queda de temperatura. Nos dois últimos casos, pode-se distinguir a taxa aparente da real. A taxa aparente considera queda de temperatura a diferença entre a temperatura de vapor de aquecimento e do corpo de evaporação. A taxa real leva em conta a queda de salto térmica disponível, devido à elevação do ponto de ebulição (EPE) causada pela concentração do caldo (Brix), e também a perda de salto térmica ocasionada pela pressão hidrostática da coluna líquida nos tubos. Os valores mais comuns de coeficientes de troca térmica, expressos em 2 kcal/h m C, são os seguintes: Triplo Quádruplo Quíntuplo 1 o corpo a a a o corpo a a a o corpo 800 a a a o corpo a a o corpo a 600 Existem diversas formas de se estimar a taxa de evaporação para os múltiplos efeitos, das quais a mais aceita é a devida a Dessin, modificada por Coutenceau, que apresentamos a seguir: 143

145 ( )( ) C= K 100 B T 54 em que: m C: taxa de evaporação específica real (TEER) do corpo, em kg de vapor m 2 hora C; Bm: Brix médio do caldo no corpo; T: temperatura do vapor de aquecimento em C; K: coeficiente relativo ao estado dos tubos de evaporador, podendo ser 0,001 para tubos novos e 0,0007 para tubos incrustados. Para uma melhor compreensão da utilização da fórmula de Dessin, daremos um exemplo: Uma caixa de evaporação opera com caldo a 15 Brix que sai a 25,8 Brix, produzindo kg/h de vapor vegetal. O vapor de aquecimento entra a 124 C e a temperatura da caixa é 115 C. Sabendo-se que os tubos do evaporador estão em suas piores condições, calcular a superfície de troca térmica necessária. a)cálculo do Brix médio da caixa: Bm = 28, = 21, 75 Brix 2 b) cálculo da TEER: ( )( ) C = 0, , C= 39, kgdevapor h m C 2 c) cálculo do salto térmico real: Considerando uma perda de salto térmico devido à elevação do ponto de ebulição de 0,3 C e devido à pressão hidrostática na caixa de 0,8 C, temos: ( ) T = , 08, T = 79, C d) cálculo da superfície de troca térmica: S = 39, x 79, S = m 2

146 7.9 Sangria de vapor num múltiplo efeito É denominada sangria de um evaporador de múltiplo efeito a retirada de parte do vapor gerado por uma ou mais de suas caixas, em geral as primeiras, para ser usado em outros equipamentos como aquecedor de caldo, cozedor a vácuo etc. Considerando como válido o primeiro princípio de Rillieux, em que cada quilograma de vapor aplicado na calandra gera um quilograma de vapor no corpo, podemos fazer as seguintes considerações: E: quantidade total de água evaporada no múltiplo efeito; X: quantidade de vapor que sai do último corpo para o evaporador; S1: quantia de vapor sangrado no primeiro corpo; S2: quantia de vapor sangrado no segundo corpo; S3: quantia de vapor sangrado no terceiro corpo; S4: quantia de vapor sangrado no quarto corpo. Adotando como exemplo um evaporador em quádruplo efeito como o da Figura 7.11, pode-se ver que o último efeito (o quarto) evapora X + S 4 kg de caldo, quantia esta que deverá receber do 3 o efeito, cuja evaporação será de X + S 4 + S 3, que deverá receber do 2 o efeito, cuja equação será de X + S 4 + S 3 + S 2, que finalmente, deverá evaporar X + S 4 + S 3 + S 2 + S 1, que seria a quantia de vapor a ser alimentado (V). A evaporação total E será a somatória das evaporações individuais das caixas, ou seja: a)evaporação do 4 o efeito: X + S 4 b)evaporação do 3 o efeito: X + S 4 + S 3 c) evaporação do 2 o efeito: X + S 4 + S 3 + S 2 d)evaporação do 1 o efeito: X + S 4 + S 3 + S 2 + S 1 Total de evaporado( E)= 4X+ 4S + 3S + 2S + S Pela expressão anterior, conclui-se que o total evaporado por um múltiplo efeito é igual a 4 vezes o evaporado pelo último corpo mais o vapor sangrado multiplicado pelo número que indica a posição do corpo onde a sangria é efetuada. Assim, se tivermos um quádruplo efeito com sangria efetuada no 1 o e 2 o corpos, o total evaporado será: 145

147 E = 4X + S 1 + 2S 2 Pela expressão, pode-se supor, a princípio, que a sangria deve preferencialmente ser realizada nos últimos corpos, pois são neles que a sangria implica em menor incremento do consumo de vapor. No entanto, a temperatura do vapor nos últimos corpos, como já foi visto, é bastante baixa, tendo, o vapor, poucas possibilidades de ser utilizado como agente aquecedor. Em geral, as sangrias são feitas nos dois primeiros corpos, pois o vapor sangrado dos mesmos apresenta temperatura superior a 100 C e pressão superior à atmosférica. Figura 7.11 Evaporação em múltiplo efeito com sangria em suas caixas Incrustação nos evaporadores Durante a operação dos evaporadores ocorre a formação de incrustações em seu interior pela deposição de material dissolvido presente no caldo, que se insolubiliza pelo aumento da concentração do caldo. As incrustações formam uma capa sobre o tubo, que vai se espessando à medida que o novo material vai se depositando. O material depositado apresenta vários graus de dureza, podendo chegar a ter a consistência de uma rocha. As incrustações nunca são formadas por um único composto químico, mas por uma mistura de compostos orgânicos e minerais que varia de usina para usina, e também de um corpo do múltiplo efeito para outro. Caldos clarificados que apresentem um alto teor de sulfato em sua composição resultam em incrustações nos últimos corpos evaporadores, sendo raro encontrar incrustação com essa composição nos primeiros efeitos do múltiplo efeito. 146 Apesar de as incrustações serem em sua maioria formadas por material inorgânico, nos primeiros corpos evaporadores encontra-se muito material orgânico como parte da composição do material depositado, em conjunto com sais de magnésio e em fosfatos.

148 A matéria orgânica encontrada nas incrustações é formada por ácidos orgânicos, não açúcares orgânicos decompostos, proteínas, lipídeos, pectinato de cálcio e bagacinho finamente desintegrado. Excesso de fosfato no caldo, como valores maiores que 450 mg de P 2 O 5 por litro e ph alto, superior a 8,0, ou baixo, inferior a 6,5, resulta em incrustação no primeiro corpo evaporativo sob a forma de fosfatos. Na Figura 7.12, pode-se ver como a composição das incrustações varia em função da concentração do caldo nos evaporadores. Figura 7.12 Composição das incrustações em função da concentração do caldo na caixa evaporadora Controle da evaporação Durante o processo de evaporação, o material em processamento não sofre grandes alterações físico-químicas, exceto quanto à sua concentração e uma queda de ph da ordem de 0,3 a 0,4 ponto em relação ao valor do caldo tratado. Sob o ponto de vista de controle do processo, o fundamental é o acompanhamento do Brix do xarope na saída da última caixa e usualmente, também é determinada a pureza, uma vez que o xarope é o ponto de partida para os cozimentos e a pureza é um parâmetro muito importante para esta fase do processo. Quando se quer realizar um acompanhamento mais rigoroso com a determinação da taxa de evaporação de cada uma das caixas do múltiplo efeito, torna-se necessário analisar o Brix de saída de cada uma das caixas individual Xarope O caldo de cana concentrado até um valor entre 55 a 65 Brix passa a ser denominado xarope e seu destino é a cristalização de sua sacarose. Muitas 147

149 usinas realizam um tratamento adicional do xarope a fim de retirar impurezas sólidas como partículas de ferrugem, bagacinho, coloides e polissacarídeos cuja eliminação foi insuficiente ou parcial na decantação. Este tratamento é denominado flotação. A flotação de xarope deve ser entendida como uma segunda clarificação, pois durante a primeira clarificação são removidas as substâncias insolúveis do caldo ou aquelas que foram insolubilizadas por reações químicas na concentração entre 15 a 20 Brix. Essa operação consiste na formação de fosfato de cálcio no xarope, que absorve e retêm as impurezas sólidas leves e de baixa densidade, além de coloides. No processo, é necessário aglomerar os flocos pela utilização de agentes floculantes. Para provocar a flotação dos flocos, é realizada a injeção de microbolhas de ar no sistema. Essas bolhas aderem aos flocos conferindo-lhe uma densidade muito menor que a do xarope, acelerando a sua flutuação. Segundo a literatura, este procedimento pode retirar até 70% das impurezas insolúveis do xarope. Os principais efeitos da clarificação do xarope quanto a sua composição são: a)remoção de maior porcentagem possível das substâncias coloidais aniônicas causadoras de cor, gomas, dextranas, polissacarídeos e outras impurezas que produzem viscosidade no xarope; b)como o xarope se apresenta com uma grande concentração de cálcio, é dicionado fosfato que provoca a formação de fosfatos solúveis que floculam e absorvem compostos causadores de turbidez. O xarope a ser flotado deve ser aquecido a uma temperatura entre 85 a 90 C para acelerar as reações de floculação e reduzir a viscosidade, propiciando uma velocidade de flotação maior. O sistema de flotação completo pode ser visto no fluxograma da Figura

150 Figura 7.13 Fluxograma do processo de flotação do xarope Referências HUGOT, E. Manual de Engenharia Açucareira. São Paulo: Mestre Jou, v. 1, 2. PAYNE, J. H. Operações unitárias na produção de açúcar de cana. São Paulo: Nobel/ STAB,

151

152 UNIDADE 8 Cozimento

153

154 8.1 Introdução Numa usina de açúcar, a operação industrial conhecida como cozimento é essencialmente um processo de cristalização da sacarose contida no xarope. O equipamento em que essa operação se realiza consiste num evaporador que opera em simples efeito e à baixa pressão (sob vácuo), projetada com características dimensionais que o adaptem a trabalhar com fluidos de alta viscosidade. Este equipamento é geralmente denominado cozedor ou tacho a vácuo. Nesse equipamento, o líquido açucarado, em geral uma mistura de xarope com outros líquidos açucarados reciclados denominados méis, tem sua concentração elevada até 78 a 80 Brix quando recebe certa quantia de microcristais de sacarose, denominados semente, os quais crescem até o tamanho desejado. Tão logo os cristais atinjam o tamanho final, é encerrada a operação, e a suspensão de sacarose em mel, agora denominada massa cozida, é descarregada e enviada a um equipamento intermediário denominado mexedor ou cristalizador. Finalmente, a massa é enviada para as centrífugas, onde os cristais são separados do mel. 8.2 Cristalização Se colocarmos cristais de sacarose em água, notaremos que após certo tempo eles serão totalmente dissolvidos. Caso continuemos a experiência, adicionando sempre mais sacarose, chegaremos a um ponto em que qualquer quantia adicional não mais se dissolve, mas deposita-se no fundo do recipiente. Uma solução nesse ponto, diz-se que está saturada na temperatura em que a experiência foi realizada. Qualquer solução de sacarose que contém menos açúcar que aquela de seu ponto de saturação, diz-se solução insaturada. Se a solução saturada descrita anteriormente for aquecida, a quantia de sacarose necessária para a sua saturação será tanto maior quanto maior for o aumento da temperatura. Para cada temperatura, tem-se uma concentração de saturação bem definida, existindo uma curva que correlaciona cada temperatura a uma concentração de saturação. Essa curva delimita o campo em duas áreas que seriam a área subsaturada na parte inferior e saturada na superior, conforme a Figura

155 Figura 8.1 Curva de solubilidade da sacarose com as suas subdivisões. Uma solução saturada contém a maior quantia de sacarose possível de ser obtida por dissolução. No entanto, pode ocorrer de uma solução possuir concentração acima do ponto de saturação sem que ocorra a cristalização. Essas soluções são denominadas supersaturadas, sendo este um estado não estável em que o sistema, por cristalização, pode perder sacarose e retornar à situação de solução saturada. Uma solução sobressaturada pode ser obtida por dois processos: por resfriamento e por evaporação. A região supersaturada pode ser subdividida em três sub-regiões, denominadas zonas, conforme indica a Figura 8.1, que são descritas a seguir: a)zona metaestável: trata-se de um nível de supersaturação, em que os cristais existentes na solução crescem à custa do açúcar em solução, mas não ocorre a formação espontânea de cristais de sacarose; b)zona intermediária: nesta região os cristais existentes crescem e podem surgir novos cristais, caso a solução já contenha cristais de sacarose que induzem a formação de novos núcleos; c) zona lábil: nesta zona de supersaturação, os cristais surgem espontaneamente, mesmo que na solução não exista nenhum cristal presente. 8.3 Medida de supersaturação 154 A supersaturação (SS) de uma solução de sacarose pode ser definida como sendo a relação entre a concentração da solução numa dada temperatura e a sua concentração de saturação na mesma temperatura:

156 SS = Concentraçãodasolução Concentraçãodasolução saturada Em geral, os valores de supersaturação para uma solução de sacarose de alta pureza podem ser classificados conforme os valores a seguir: SS < 1 Solução subsaturada SS = 1 Solução saturada SS > 1 Solução supersaturada 1 < SS < 1,20 Zona metaestável SS > 1,20 Zona lábil Como exemplo, vamos supor que uma solução saturada de sacarose a 80 C contém 363 g por 100 g de água (78,4 Brix). Se essa solução for concentrada por evaporação até atingir 436 g de sacarose por 100 g de água (81,3 Brix), a supersaturação será: 363 SS = = , A determinação da supersaturação de uma solução de sacarose é realizada nas indústrias somente de forma indireta, ou seja, associando uma propriedade física da solução com a sua concentração. Os principais métodos são baseados nos seguintes princípios: a) pela determinação de seu Brix refratométrico; b)pela medida da elevação do ponto de ebulição (EPE); c) pela determinação da condutividade elétrica da solução; d) pela determinação da consistência (viscosidade) da solução. 8.4 Cristalização da sacarose Existem diversas formas de cristalizar a sacarose presente no xarope de cana, sendo que a forma mais simples, ainda utilizada em pequenos engenhos de açúcar mascavo e refinarias de açúcar amorfo, é elevar a concentração da solução até certo valor, ao redor de 90 Brix, e a seguir, sob forte agitação, proceder o resfriamento de forma a atingir uma supersaturação na região lábil. Dessa forma os cristais surgem espontaneamente. 155

157 Nas usinas de açúcar, o processo de cristalização é realizado pelo método de semeadura, que consiste na elevação da concentração da solução até a zona metaestável, quando se introduz no cozedor certa quantia de cristais de açúcar que passarão a crescer até atingir o tamanho desejado. A quantia de sementes a ser utilizada pode ser calculada considerando que todos os cristais inoculados se desenvolvem até o tamanho desejado e que a massa dos cristais é proporcional ao cubo de seu tamanho, ou seja: MS MA d = d 3 S 3 A em que: MS: massa de semente inoculada; MA: massa de açúcar produzido; d S : tamanho dos cristais da semente; d A : tamanho dos cristais do açúcar. Da expressão anterior podemos calcular a massa de sementes como sendo: MS = MA d d 3 S 3 A Como a quantidade em massa de açúcar formado é proporcional ao volume do cozedor, à densidade e à fração de cristais de sacarose na massa cozida, podemos escrever: MS = V ρ c d d 3 S 3 A em que: MS: massa de semente em kg; V: volume do cozedor em litros; π: densidade da massa cozida em g/cm 3 ; c: teor de cristais de sacarose na massa cozida em fração decimal. 156 Normalmente, a semente é adicionada na forma de pasta, preparada em suspensão alcoólica, mantendo a relação de 1 kg de açúcar para 2000 ml de álcool, resultando:

158 = 2633 ml kg de semente 1, 5795 Na prática, a quantia de semente a ser utilizada é maior que a calculada teoricamente, devido a uma série de fatores dos quais os principais são: a) dificuldade em estimar o real tamanho médio das sementes; b) a perda de partículas por arraste quando introduzidas no cozedor; c) dissolução de parte da semente adicionada durante o processo de cozimento. Por exemplo, considere um cozedor de litros (400 HL), cuja massa apresenta uma densidade 1,45g/cm 3 e um teor de cristais de sacarose na massa de 50% (0,50). A semente utilizada apresenta um tamanho médio de 0,005 mm e o cristal gerado 0,2 mm. A quantia teórica de sementes para este cozimento será: MS = V ρ c d d 3 S 3 A 3 k = ,,, 005 = 0, 453 g 02, Dessa forma, conclui-se que serão necessários, teoricamente, 0,453 kg ou 453 g de semente para que sejam produzidos no cozedor os cristais de açúcar com 0,2 mm de tamanho. Na prática se utilizaria ao redor do dobro dessa quantia, ou seja, 906 g. 8.5 Conteúdo de cristais na massa cozida Para os cálculos de dimensionamento dos equipamentos do setor de cozimento, bem como para a avaliação da eficiência do cozimento, uma grandeza muito importante é o conteúdo de cristais na massa cozida. Por definição, essa grandeza consiste na porcentagem de sacarose em forma de cristais presente na massa cozida. Alguns autores expressam esse valor como o conteúdo de cristais % do Brix da massa cozida. O cálculo dessa grandeza nas duas formas que ela aparece é realizado pelas expressões: ( ) ( ) c. cristais% Brix = 100 Pmc Pm Ps Pm ( ) ( ) c. cristais% massa = Bmc Pmc Pm Ps Pm em que: c.: conteúdo; 157

159 PMC: pureza da massa cozida em %; PM: pureza do mel em %; Ps: pureza do açúcar em %; BMC: Brix da massa cozida em %. O conteúdo de cristais na massa cozida varia muito em função da pureza do material em processamento no cozedor. Em geral, massas cozidas de alta pureza resultam em alto conteúdo de cristais, entre 50 a 55%. Massa de baixa pureza, como a massa de terceiro cozimento em sistemas de cristalização em três massas, pode apresentar um conteúdo de cristais ao redor de 35%. 8.6 Tachos de cozimento Os tachos de cozimento em geral são evaporadores em simples efeito que operam de forma descontínua e à pressão subatmosférica. Como a massa cozida atinge altas densidades e viscosidade nos estágios finais de sua concentração, a construção do equipamento é realizada de forma a permitir uma boa movimentação do fluido, com tubos largos, sem qualquer impedimento à circulação da massa. Para reduzir a temperatura de ebulição do material em processamento (massa cozida), os tachos trabalham em pressão que permite uma ebulição em temperatura ao redor de 60 a 65 C. Durante a evaporação da massa e do crescimento dos cristais, o material no interior do equipamento deve estar em contínuo movimento, o que ocorre primeiro pela ação do movimento convectivo e das bolhas de vapor formadas que, ao subirem, impulsionam a massa (Figura 8.2). 158 Figura 8.2 Movimento da massa cozida no interior de um tacho de cozimento.

160 Esse movimento é muito importante para o bom desenvolvimento dos cristais, sendo que muitos cristalizadores dispõem de hélices em seu interior para melhorar essa movimentação e são conhecidos como tachos com agitador ou agitação forçada (Figura 8.3). Figura 8.3 Tacho com sistema de agitação forçada. 8.7 Cozimento contínuo Nos últimos anos têm sido instalados em nosso país diversos tipos de cristalizadores que operam de maneira contínua e não em bateladas, como normalmente se utiliza. Esses equipamentos são alimentados por uma massa cozida com cristais, que, num cozimento prévio, já apresentam um tamanho entre 0,1 a 0,2 mm. No interior do cozedor, esses cristais alimentados por xarope ou um mel rico em sacarose crescem até o seu tamanho comercial que varia de 0,5 a 0,6 mm. Na Figura 8.4, pode-se ver uma representação esquemática de um cozedor contínuo. Figura 8.4 Cozedor contínuo. 159

161 O cozedor contínuo normalmente necessita de um cozedor descontínuo que pelo processo de semeamento produz o pé de cozimento, conforme o fluxograma apresentado na Figura 8.5. A massa cozida com os cristais no tamanho desejado é encaminhada a uma centrífuga que realiza a separação dos cristais do mel. Figura 8.5 Processo de cozimento contínuo. 8.8 Condução do cozimento A condução do cozimento ocorre a deposição de sacarose sobre os cristais preexistentes que crescem tornando o meio contínuo mais pobre nesse componente. Esse empobrecimento é quantificado pelo abaixamento da pureza (que é definida como sendo a porcentagem de sacarose sobre o Brix da solução). Um xarope com, por exemplo, 85% de pureza, após o crescimento dos cristais terá essa pureza reduzida em 15 pontos percentuais, ficando com 70%, passando a ser denominado mel. Esse mel com pureza reduzida pode ser sucessivamente cristalizado até que sua pureza final apresente valores na faixa de 30 a 35%, que seria o limite das possibilidades técnicas e econômicas do processo. No final do processo se obtém um mel do qual foi retirada toda a sacarose desejável, ou economicamente possível, e o mel resultante passa a ser denominado mel esgotado ou melaço. 160

162 8.9 Sistema de cozimento O número de cristalizações sucessivas realizadas varia em função do sistema adotado pela usina. Caso se trabalhe com duas cristalizações, o sistema é denominado duas massas, que é o processo mais adotado em nosso país. Nesse sistema de cozimento, o xarope sofre um esgotamento até sua pureza atingir um vapor entre 50 a 60%. Quando se deseja aumentar a recuperação da sacarose existente no mel, pode-se adotar o sistema de três massas, muito utilizado na maioria dos países do mundo. No cozimento é formada uma suspensão de cristais de sacarose no mel e, ao término da operação, essa massa é descarregada em reservatório intermediário denominado cristalizadores, onde aguarda a sua centrifugação para que os cristais sejam separados da fase líquida. Na Figura 8.6 é apresentado o fluxograma de um típico sistema de cozimento em duas massas, podendo se notar que durante a centrifugação, o mel resultante, denominado mel pobre é enviado para o segundo cozimento. Os cristais de sacarose são então lavados na centrífuga, gerando um mel rico pela dissolução de uma pequena parte da sacarose, sendo que esse mel retorna ao primeiro cozimento. Figura 8.6 Cozimento em duas massas. O cozimento em três massas tem um fluxograma mais complexo, conforme pode ser visto na Figura 8.7, em que não ocorre a separação do mel pobre do mel rico. 161

163 Figura 8.7 Cozimento em três massas Recuperação do cozimento Na operação de cozimento, a sacarose contida no xarope é em sua maior parte cristalizada, transformando-se no produto final. No entanto, uma parte da sacarose continua dissolvida no mel. Denomina-se recuperação do cozimento a porcentagem da sacarose contida no xarope que é efetivamente transformada em cristais de açúcar e ensacada. Pode-se calcular esse valor pela fórmula: ( ) ( ) ( ) ( ) AC M Recuperação (%)= CA M ou SJ M JS M em que: A ou S: pureza do açúcar em % (praticamente igual a 100 para a maioria dos tipos de açúcar produzidos); C ou J: pureza do produto a ser cristalizado em %; M: pureza do mel final resultante em %. Como exemplo, vamos considerar um xarope com 84% de pureza que produz uma massa cozida que, ao ser centrifugada, resulta num mel final de 40% de pureza. Em função desses valores, podemos calcular a recuperação teórica de sacarose como sendo: ( ) ( ) Recuperação (%)= Ou seja, 87,3% do açúcar contido no xarope é ensacado e o restante (12,7%) permanecerá no mel final.

164 8.11 Centrifugação (aspectos gerais) O produto da cristalização é uma suspensão de cristais de sacarose no mel, sendo necessário a separação dessas duas fases. Até meados do século XIX, essa separação era efetuada exclusivamente pela força de gravidade, colocando-se a massa cozida num recipiente cônico invertido com um orifício no fundo em que a fase líquida escoava, ficando os cristais retidos no seu interior. Essa operação muitas vezes durava dias até que, em 1867, Weston inventou a máquina centrífuga com suspensão flexível, tornando possível a separação do mel em poucos minutos. Basicamente, as centrífugas utilizadas no setor açucareiro são constituídas por um cesto cilíndrico com a parede perfurada, acoplado a um motor de velocidade variável. Todo esse conjunto é protegido por um cofre de segurança, conforme a representação da Figura 8.8. Figura 8.8 Centrífuga descontínua de cesto Fundamentos da centrifugação A capacidade de separação das centrífugas é medida pela relação entre a força centrífuga gerada e a força de gravidade (G), ou seja: G forçacentrífuga = = forçadegravidade m r mg ω 2 163

165 em que: m: massa do corpo em rotação; π : velocidade angular em radianos por minuto; r: raio de giro do corpo em rotação; g: aceleração da gravidade que ao nível do mar corresponde a 9,8 m/s 2. Considerando que π pode ser escrito como 2πN, em que N é a velocidade angular expressa em rotações por minuto (rpm) e que o raio r é a metade do diâmetro (r = D/2), tem-se: ( ) π N D 4 π G = = DN , , G= 56, 10 D N Como exemplo, consideremos uma centrífuga de cesto com 1,0 m de diâmetro que gira a 1000 rpm. A qual G é submetido o material em seu interior? Pela aplicação direta da fórmula anterior temos: 4 2 G = 56, 10 10, 1000 = 560 Dessa forma, conclui-se que o material centrifugado sofre a ação de uma força 650 vezes maior que a exercida pela gravidade terrestre ao nível do mar. Em geral, as centrífugas que têm um valor de G inferior a 600 são consideradas de baixa velocidade. Como velocidade intermediária considera-se os valores entre 600 a 800, sendo as de valores maiores de 800 consideradas de alta velocidade. As centrífugas podem ser classificadas, segundo o seu regime de trabalho, em máquinas contínuas e descontínuas. As máquinas de cesto cilíndrico, em geral, são de fluxo descontínuo, operando em bateladas Centrífugas descontínuas Esses equipamentos são utilizados para operar açúcar comercial, ou seja, a massa de primeira numa operação em duas massas e as massas de primeira e de segunda numa operação em três massas. 164

166 A capacidade desse equipamento é dada por dois fatores fundamentais: a)o volume de massa cozida contido no cesto; b)o tempo de duração de um ciclo de operação. O volume de massa cozida que cabe no cesto é, por sua vez, uma função do diâmetro do cesto D, da altura do cesto H e da espessura da massa cozida no cesto em operação e que corresponde a aproximadamente 12% do diâmetro. A duração do ciclo de operação depende da força centrífuga aplicada, resultando numa taxa de extração do mel (velocidade de percolação) como fator principal. Basicamente, esse tempo corresponde a somatória do tempo de carga da máquina, aceleração, tempo de extração do mel, tempo de frenagem do cesto, tempo de descarga do açúcar e tempo de limpeza do cesto. O tempo total de um ciclo de uma centrífuga descontínua pode variar de 3 a 6 minutos, o que resulta 15 a 30 ciclos por hora. Dessa forma, pode-se calcular a capacidade da centrífuga em litros de massa cozida por hora multiplicando a capacidade do cesto pelo número de ciclos/hora (N) Centrífugas contínuas Apesar das centrífugas descontínuas serem bastante eficientes em seu trabalho, tem-se pesquisado a aplicação de centrífugas contínuas pelos benefícios operacionais que elas trariam em economia de tempo e de mão de obra. No entanto, as máquinas contínuas possuem certos problemas de difícil solução, que têm impedido sua plena adoção no caso de açúcares comerciais. Um dos principais problemas é a quebra de cristal pelo seu impacto na parede em alta rotação e a erosão que ocorre no trajeto dos cristais ao longo da tela até a saída. A centrífuga mais adotada no Brasil é a de cesto cônico que gira ao redor de um eixo vertical (Figura 8.9). A alimentação se dá no ápice do cone, sendo que os cristais e o mel se separam nas paredes do cesto enquanto se movem para a periferia. Esse tipo de centrífuga é muito utilizada para centrifugar a massa de segunda em cozimentos de duas massas. 165

167 Figura 8.9 Centrífuga contínua de cesto cônico para separação de sólidos Problemas na cristalização Os cristais de sacarose consistem em sacarose cristalizada e quando fabricados com todo cuidado resultam em grânulos isolados e bem definidos (Figura 8.10). Na prática, podem ocorrer vários problemas durante a cristalização ou até posteriormente, resultando em defeitos na cristalização, que acabam prejudicando a qualidade do produto final. Os principais defeitos são os listados a seguir: a)falso grão: denomina-se falso grão o surgimento de novos cristais de açúcar, quando se está na fase final de crescimento dos mesmos. Isto ocorre, quando, por um descuido, eleva-se a concentração até o nível de zona lábil, surgindo assim novos cristais que são altamente prejudiciais por atuarem como semente, impedindo que o açúcar produzido tenha cristais do tamanho originalmente projetado. Outro problema ocorre na operação seguinte, que é a centrifugação, pois os falsos grãos vedam os espaços vazios entre os cristais originais, impedindo o escoamento do mel, tornando a centrifugação bastante demorada. b) Cristais aglomerados: outra anomalia que pode ocorrer na fase de cristalização é a formação dos chamados aglomerados que consistem num certo número de cristais que crescem juntos, num só grupo (Figura 8.11). Esse fenômeno acontece frequentemente quando a cristalização ocorre em xarope de alta pureza e em sobressaturação pouco inferior àquela em que ocorre o falso grão. Sua inconveniência é que o aglomerado possui uma série de reentrâncias que podem servir de bolsão de licor-mãe, que são prejudiciais à pureza e por consequência à qualidade do açúcar formado. 166 c) Uniformidade dos cristais: dificilmente os cristais do açúcar apresentam tamanhos iguais, não somente porque os grânulos da semente não são uniformes, mas também devido ao fato de os cristais crescerem com

168 velocidades diferentes. Uma boa circulação da massa no cozedor é um dos fatores de maior importância para reduzir a quantidade de cristais de tamanhos muito diferenciados. Figura 8.10 Cristais de açúcar de boa qualidade. Fonte: extraída de Albuquerque (2009). d) Cristais geminados: quando a cristalização da sacarose ocorre num meio com altas concentrações de açúcares redutores, podem surgir cristais gêmeos, ou seja, cristais de sacarose que crescem aos pares. Os cristais gêmeos ou geminados aprisionam certa quantidade de mel entre eles e, assim, causam um aumento considerável na cor cinza do produto final. Figura 8.11 Cristais aglomerados. Fonte: extraída de Albuquerque (2009). 167

169 e) Cristais alongados: são os formados e desenvolvidos quando se processa matéria-prima com elevados teores de polissacarídeos como a dextrana. Essas substâncias modificam a velocidade de crescimento das faces dos cristais, dando-lhes a forma de agulha Controle do cozimento A condução do cozimento envolve um conhecimento dos parâmetros envolvidos como pressão, temperatura, concentração, composição da massa cozida, entre outros. Em geral, a pessoa que opera esse sistema possui um grande conhecimento empírico sobre o assunto, adquirido em anos de trabalho. Por outro lado, existem diversos processos que permitem um acompanhamento instrumental do cozimento. Entre os sistemas existentes podemos citar os seguintes: a) Sistemas empíricos: medida da concentração da massa cozida pela retirada de uma amostra que é resfriada. Utilizando os dedos indicador e polegar, é medido o tamanho do fio formado ao se afastar os dedos. Esse método é denominado ponto de fio e exige uma grande experiência prática do operador. b) Viscosidade da massa: pode ser determinada medindo a potência requerida por um motor elétrico que aciona um corpo de prova mergulhado na massa. Quanto mais concentrada for a solução, maior será a sua viscosidade e a potência requerida. Nos cozedores que dispõem de uma hélice em seu interior para a circulação forçada da massa, a potência requerida para acionamento da hélice está correlacionada com a concentração da massa em seu interior. c) Condutividade elétrica: sistema mais utilizado e consiste na medida da condutividade da massa cozida, através de um eletrodo colocado no interior do cozedor, onde é aplicado uma corrente alternada de baixa frequência. À medida que aumenta a concentração da massa cozida, a sua resistência elétrica também aumenta, diminuindo a sua condutividade. Dessa forma, pela leitura da condutividade pode se estimar a supersaturação da solução e consequentemente o ponto correto de aplicação da semente. 168

170 8.17 Referências ALBUQUERQUE, F. M. de. Processo de fabricação do açúcar. Recife: Editora Universitária da UFPE, CASTRO, S. B.; ANDRADE, S. A. C. Tecnologia do açúcar. Recife: Editora Universitária da UFPE, PAYNE, J. H. Operações unitárias na produção de açúcar de cana. São Paulo: Nobel/ STAB,

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172 UNIDADE 9 Secagem e armazenagem de açúcar

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174 9.1 Introdução De maneira geral, o açúcar que sai da centrífuga apresenta um teor elevado de umidade que prejudica a sua fluidez, tornando difícil a sua manipulação, além de tornar o produto susceptível de sofrer uma deterioração microbiológica. O açúcar úmido também apresenta uma grande tendência a empedrar. Dessa forma, a operação de secagem consiste num abaixamento da umidade do açúcar até um ponto que ela seja compatível com a estocagem, ou seja, a umidade inicial de 0,5 a 1% deve ser baixada a 0,1% ou menos, dependendo do tipo de açúcar. 9.2 Princípio de secagem Ao expor um açúcar a uma atmosfera de determinada umidade relativa (UR), ele pode perder ou ganhar umidade em função da UR da atmosfera. O mecanismo que governa esse fenômeno de troca de massa entre o cristal de açúcar e a atmosfera envolvente está ligado à pressão parcial de vapor de água no açúcar e na atmosfera. Se a pressão de vapor de água na atmosfera for maior que a do açúcar, este ganha umidade. Caso contrário, isto é, se a pressão parcial da água no açúcar for a maior, este perde umidade. No caso das duas pressões parciais se igualarem, ter-se-á uma situação de equilíbrio, ou seja, o açúcar exposto a atmosfera não perde nem ganha umidade. A perda ou ganho de umidade do açúcar para o meio ambiente não se dá indefinidamente, mas até atingir um ponto de equilíbrio. Ou seja, se, por exemplo, a pressão de vapor do açúcar for maior que a do meio, ele perderá água e à medida que for secando, sua pressão de vapor começará a cair até se igualar a da atmosfera, quando a sua umidade se tornará constante. Dessa forma, para cada umidade relativa do ambiente, existe uma umidade de açúcar em que o equilíbrio entre as pressões de vapor será estabelecido. A união entre esses pontos de equilíbrio compõe uma curva como a observada na Figura 9.1, denominada isoterma de umidade de equilíbrio. 173

175 Figura 9.1 Isoterma de umidade de equilíbrio de diversos tipos de açúcar. Fonte: extraída de Teixeira Neto & Quast (1977). Dessa forma, para secar certa porção de açúcar, basta expô-lo a um ambiente de baixa umidade relativa em que ele lentamente perderá água até entrar em equilíbrio com o ambiente. No entanto, essa secagem natural é inviável pelo tempo excessivo exigido e por resultar num empedramento do produto. Normalmente, o açúcar, para apresentar boas características para estocagem, deve ser seco até uma umidade relativa inferior a 60%. Acima de 70%, pode ocorrer uma perda de umidade durante a armazenagem, cuja consequência é o empedramento. 9.3 Secadores O dispositivo destinado a proceder a secagem de um produto é denominado secador. Entre os modelos de secadores existentes, os utilizados para a secagem de açúcar são os do tipo ar quente, em que o produto a ser seco é posto em contato com uma corrente de ar quente que percola os cristais de açúcar. Durante a secagem, o açúcar deve permanecer em contínuo movimento para impedir que ocorra o seu empedramento. Os secadores mais utilizados em nossas indústrias são os de tambor rotativo e vertical de bandejas. O de uso mais corrente é o de tambor, que consiste num cilindro metálico horizontal, rotativo, montado num pequeno ângulo com a horizontal, provido interiormente de palhetas destinadas a recolher o açúcar e deixá-lo cair repetidamente em forma de cascata (ver Figura 9.2). O açúcar se movimenta ao longo do secador, geralmente em contracorrente com ar aquecido, como pode ser visto na Figura

176 Figura 9.2 Vista frontal de um secador rotativo horizontal. Figura 9.3 Circulação de açúcar e ar no interior de um secador rotativo. Como a corrente de ar pode arrastar certa quantidade de pó de açúcar, na saída do ar é colocado um dispositivo separador que impede que este pó possa chegar ao meio ambiente. Os secadores verticais de bandejas recebem o açúcar pela sua parte superior de onde os cristais vão se acumulando na primeira bandeja. A seguir, raspadeiras empurram-no a fim de que caiam em bandejas sucessivas até saírem pela parte inferior. À medida que o açúcar vai caindo em forma de uma cortina de cristais, vai recebendo uma corrente de ar quente que procede à sua secagem (ver Figura 9.4). 175

177 Figura 9.4 Secador vertical de bandejas. 9.4 Cálculos de um secador A secagem de açúcar por insuflação de ar quente, como foi descrito anteriormente, consiste no aquecimento do ar para reduzir a sua umidade relativa, aumentando sua capacidade de absorção de água. O cálculo do volume de ar necessário é realizado por um balanço em que supõe as piores condições possíveis, ou seja, que o ar admitido está saturado de água e que somente 2 /3 de seu volume atuam efetivamente. A equação básica para o cálculo é um balanço de massa, em que se considera o ganho de umidade de ar igual a perda de umidade do açúcar, ou seja: 2 3 = AM ( M )= 1000 Ph 1 0 em que: A: massa de ar admitida no secador em kg/h; M 1 : massa de vapor contido no ar saturado na saída do secador em gramas de água/kg de ar; M 0 : massa de vapor contido no ar saturado na entrada do secador em gramas de água/kg de ar; P: peso do açúcar a ser secado em kg; h: umidade do açúcar expresso em fração decimal; 1000: fator de conversão de gramas em kg. 176 Da equação anterior pode-se obter a seguinte relação: