Produção de Acúcar Completo

Produção de Acúcar Completo

(Parte 1 de 3)

Processos Químicos Industriais I Profa. Heizir F. de Castro

Indústria Açúcareira

Terminologia3
1. Introdução4
2. Consumo4
3. Fabricação do Açúcar5
3.1. Breve Histórico5
3.2. Composição da Cana-de-Açúcar5
3.3. Colheita6
3.4. Processo de Fabricação7
4. Refinação do Açúcar1
6. Sub-Produtos15

Índice 8. Referências ......................................................................................................................... 15

Indústria Açúcareira

Terminologia

Açúcar:Produto final de uma usina de açúcar, constituído por cristais de sacarose, contendo ou não pequenas porções de mel que os envolvem.

Bagaço:Resíduo fibroso resultante da extração do caldo de cana.

Caldo absoluto:Caldo em cuja composição entram todos os sólidos solúveis e toda a água da cana.

Caldo primário:Caldo extraído da primeira unidade de esmagamento do conjunto de moendas.

Caldo residual:Caldo retido no bagaço após a moagem.

Caldo misto:Mistura dos caldos obtidos no processo de extração, enviado para a fabricação de açúcar.

Caldo sulfitado:Caldo misto após passar pela coluna de sulfitação, onde absorve certa quantidade de anídrido sulfuroso.

Caldo clarificado:Caldo obtido após as operações de tratamento químico, aquecimento e decantação.

Caldo filtrado:Caldo resultante da filtração do lodo. Embebição:Água aplicada ao bagaço durante o processo de extração. Extração:Percentagem de sacarose extraída da cana. Fibra:Matéria seca, insolúvel em água, que está contida na cana.

Magna:Mistura de açúcar com xarope, caldo clarificado, água ou mel, para ser usada como pé de cozimento.

Massa cozida:Produto resultante da concentração do xarope ou mel, constituído de cristais de açúcar envoltos no mel-mãe.

Mel:Licor mãe, resultante da centrifugação de uma massa cozida.

Melaço:Mel esgotado do qual não mais se extrai açúcar por razões de ordens técnico-econômicas.

Sacarose:Principal produto da cana, dissacarídeo de fórmula C12H22O11 Torta:Resíduo obtido da filtração do lodo dos decantadores.

Xarope:Produto resultante da concentração parcial do caldo clarificado.

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1. Introdução

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

6 CO2 + H2O Luz→ C6H12O6 + 6 O2

Clorofila (Glicose)

A composição básica do açúcar comercial comum é a sacarose (C12H24O12), que é um dissacarídeo formado por uma molécula de glicose e outra de frutose. A sacarose é facilmente convertida em quantidades iguais de glicose e frutose, através da hidrólise ácida ou enzimática (ação da enzima invertase, presente em células de levedura)

As matérias primas empregadas para produção de açúcar industrial são a cana de açúcar e a beterraba. O açúcar de beterraba é muito comum nas regiões mais frias do planeta. A beterraba empregada na produção de açúcar é diferente da beterraba ordinária pelo fato de ser muito maior e não ser vermelha. Depois de processado (industrializado) o açúcar de beterraba não apresenta diferença nenhuma em relação ao açúcar de cana e somente um químico muito hábil poderia dizer se uma amostra de açúcar refinado provêm da cana tropical ou de beterrabas crescidas na zona temperada.

O açúcar refinado produzido industrialmente é uma das substâncias mais puras que se conhece, aproximadamente 9,96% de sacarose, isto se deve principalmente ao desenvolvimento e aperfeiçoamento dos processos de refinação provocados pela Engenharia Química aplicada à Indústria.

2. Consumo

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

Tabela 1. Produção e consumo e açúcar per capita de alguns países.

País Produção (ton x 106)

Consumo Kg/hab

Entre os usos não alimentares do açúcar, podem destacados o seu emprego como matéria prima para fabricação de:

⇒ glicerol e manitol;

⇒ plastificantes (octobenzoato de sacarose);

⇒ surfactantes: ésteres de ácidos momo e dicarboxílicos;

⇒ dextran (polissacarídeo obtido a partir da sacarose por certas bactérias).

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Outros usos para os derivados da sacarose estão sob investigação, estimulada pela

International Sugar Research Foundation, como por exemplo, a obtenção de ésteres de óleos secativos derivados de açúcares para indústria de tintas e de detergente.

3. Fabricação do Açúcar

3.1. Breve histórico

É difícil determinar quando o açúcar tornou-se conhecido da humanidade, entretanto na literatura européia existem indicações que a cana de açúcar foi descoberta na Índia Ocidental, por um dos oficiais de Alexandre o Grande, mais ou menos no ano de 325 A.C.

Os métodos de extração e de purificação do açúcar da cana foram muito lentamente desenvolvidos. Existem registros, que por volta de 1400, métodos grosseiros foram trazidos do Oriente para a Europa. O comércio de açúcar entre a Ásia e a Europa era então, um mais importantes nos séculos passados.

No Brasil, Martim Afonso de Sousa ao fundar a 1ª Vila do Brasil, a de São Vicente, também introduziu a cana-de-açúcar fazendo com que esta vila se tornasse o primeiro centro produtor de açúcar do país. A cultura da cana foi, então o elemento agrícola da civilização brasileira, fazendo crescer as cidades, influindo no organismo econômico e na vida social. Atualmente a cultura da cana está largamente difundida no Brasil tendo no Nordeste e no Sudeste do país seus principais produtores e industrializados.

3.2. Composição da cana-de-açúcar

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

Brix:Mede sólidos solúveis e está diretamente associado ao teor de sacarose,

tendo um valor de aproximadamente 18% na cana madura.

POL:Teor de sacarose na cana, medido por polarímetro ou sacarímetro. Pureza: É a relação entre o teor de sacarose e o teor de sólidos solúveis Açúcares Redutores:Conteúdo de açúcares simples (glicose e frutose)

Fibra:Conteúdo de celulose, lignina, pentosanas (xilana), gomas (arabana).

Interfere negativamente no processo, um aumento de 1% de fibra da cana, implica em uma redução na extração normal em 1,5%. O teor de fibra na cana pode variar entre 7 a 15%.

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Cinzas:São fatores negativos para produção de açúcar, pois altera a eficiência das etapas de clarificação, evaporação e cristalização. Quanto maior teor de cinzas maior será a quantidade de melaço no açúcar final. Por outro lado, catíons como Ca, Mg e Si podem aumentar as incrustações nos equipamentos.

Gomas: Aumentam a viscosidade do xarope. Os maiores teores são detectados em canas verdes (impróprias para o corte). O teor de gomas também pode aumentar após a colheita da cana, decorrente do desenvolvimento de bactérias durante o período de estocagem. O aumento de teor de gomas podem ocasionar: dificuldade na formação dos cristais de açúcar, aumento das perdas de açúcar nos méis, entupimento de tubulações, trocadores de calor etc..

Em geral, uma cana em bom estado de maturação, pode atingir percentuais como listados na Tabela 2.

Tabela 2. Composição da cana de açúcar

Componentes % Água 71,04

PurezaFibra 8,8 9,56

Corantes e graxas0,35 Cinzas 0,48

Curvas de maturação são geralmente realizadas para definir o comportamento das diversas variedades, ou seja, definir o período de corte e colheita da cana, período no qual são obtidos teores elevados de sacarose nos colmos. Este período é designado de PUI: Período Útil de Industrialização. Na Figura 1 apresenta-se curvas de maturação típicas para algumas variedades de cana.

3.3. Colheita

A colheita da cana de açúcar pode ser realizada manualmente com facões, ou por cortadeiras mecânicas. Para proporcionar uma maior produtividade da colheita e maior proteção e ganho do trabalhador rural, tem sido muito empregado a queima da cana antes da colheita. Entretanto, este procedimento tem trazido como efeito residual para os centros urbanos localizados próximos às lavouras, a fuligem. Para contornar esse problema, estão sendo desenvolvidas diferentes ações, como por exemplo: desenvolvimento de máquinas apropriadas para colheita mecânica de cana não queimada, desenvolvimento de variedades de cana com hábito de despalha natural, muito importante para áreas com topografias inadequadas à colheita mecânica.

É importante destacar, que o processamento da cana-de-açúcar deve ser realizado sem grandes demoras após a colheita, para evitar modificações na composição original desta

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

⇒ Ressecamento dos colmos

⇒ Inversão de sacarose (acidez, temperatura, invertase)

⇒ Desenvolvimento de microrganismos (leveduras, fungos, bactérias)

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

Tempo de

estocagem

Sacarose(%) Açúcares Redutores

Pureza(%)

Acidez sulfúrica (g/L)

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

⇒ 14 horas de estocagem Dias quente e chuvosos

⇒ 18 horas de estocagemÉpocas frias e secas

3.4. Processo de Fabricação

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

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

Lavagem da cana

A cana é inicialmente lavada, para remover a terra e os detritos. Esta operação é realizada em uma mesa alimentadora através de chuveiros verticais de água limpa ou reciclada. Antes de ser reciclada, a água de lavagem é decantada e em seguida tratada com cal até pH 7,0 (após a lavagem da cana, o pH da água decresce para níveis próximos de 4,0). Para aumentar a eficiência de decantação, a água deve passar antes por um sistema de peneiramento.

A lavagem pode ser a frio ou a quente. No caso de lavagem a quente é utilizado água dos condensadores. A adição de água sob pressão aumenta a eficiência de lavagem.

O consumo mínimo de água é de aproximadamente 5 m3 por tonelada de cana processada por hora (TCH). Em algumas usinas este consumo é da ordem de 10 a 15 m3/ TCH.

São procedimentos comuns numa usina:

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⇒ Renovar parte da água constantemente (parte limpa e parte reciclada)

⇒ Usar bactericidas nas águas de reciclo (bactericidas a base de compostos voláteis como organosulfurosos e quaternário de amônio)

Preparo da cana para moagem

Os objetivos desta etapa são: aumentar a capacidade das moendas através do aumento da densidade da massas de alimentação (menores tamanho de cana) e romper a estrutura da cana, facilitando a extração do caldo e moagem. Para tanto são utilizados os seguintes equipamentos: picador e desfibrador. As vantagens da etapa de preparo da cana no desempenho do processo são:

⇒ Regularidade de alimentação das moendas

⇒ Redução do consumo de energia

⇒ Homogeneização do teor de fibras nas canas

⇒ Redução do desgaste e quebra de moendas.

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

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

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

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

Moagem da cana

Após o preparo, a cana é esmagada em moendas para a remoção do caldo. Entende-se por moenda todo o conjunto de 3, 6, 9 ou 12 rolos ou cilindros agrupados na unidade de moagem de funcionamento simultâneo, geralmente precedidos de mais de dois rolos cilindros especiais e denominados de esmagadores, mais destinados a reduzir a cana a pedaços do que propriamente a espreme-la. Em termos gerais, a extração do caldo aumenta percentualmente com o número de ternos ou de cilindros ou rolos pelos quais passam a cana e o bagaço. Os cilindros são providos de ranhuras ou frisos, que tem a finalidade de aumentar a superfície útil de contato com o bagaço.

Uma moenda é classicamente constituída de 3 rolos, dispostos de tal modo que a união de seus centros forma um triângulo isósceles (Figura 3).

Para aumentar o rendimento industrial, é adicionado água no bagaço, por meio de pulverizadores dispostos entre os diversos jogos de moenda. Este procedimento de embebição ou diluição, pode ser aplicado apenas em um dos pontos das esteiras entre os ternos das moendas (embebição simples) ou pode ser aplicado em dois ou três pontos (embebição composta), conforme mostrado na Figura 4. Na embebição composta é adicionado água ou caldo diluído às moendas.

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A quantidade de água de embebição é função de: ⇒ Capacidade de evaporação, deve-se tomar cuidado para não reduzir demais o Brix

⇒ Teor de fibra da cana (maior teor de fibra maior quantidade de água

⇒ Riqueza da cana: maior concentração de sacarose maior embebição

⇒ Balanço de custo X benefício: preço do açúcar extraído X custo da extração

A qualidade da água de embebição é outro fator importante, sendo consideradas inadequadas águas de condensação e águas ácida, alcalinas, sujas ou poluídas. Geralmente são utilizadas águas das caixas de evaporação e águas dos rios ou reservatórios. Água quente provoca melhor difusão e produz um bagaço mais seco.

A capacidade de uma instalação de moagem é dada pelo número de toneladas de cana moída por hora ou por dia. E depende de numerosos fatores, tais como do número de cilindros e das dimensões destes, de sua velocidade, das aberturas de entrada e saída da cana, da força da máquina ou dos motores empregados. Extração na faixa de 95% pode ser obtida pelo emprego de uma unidade de moagem composta por 4 ternos de moendas e 1 esmagador. O bagaço resultante da extração do caldo do último terno da moenda é utilizado como combustível para as caldeiras.

Purificação do caldo

O caldo de cana bruto é um líquido viscoso que contém substâncias dissolvidas, material em suspensão e pH em torno de 5,3. Para remover as impurezas grossas, o caldo é inicialmente peneirado, e em seguida tratado com agentes químicos, para coagular parte da matéria coloidal (ceras, graxas, proteínas, gomas, pectinas, corantes), precipitar certas impurezas (silicatos, sulfatos, ácidos orgânicos, Ca, Mg, K, Na) e modificar o pH.

A definição do processo de purificação depende basicamente do tipo de açúcar a ser fabricado. Entre os agentes químicos empregados nesta etapa, podem ser destacados:

⇒ Cal (agente básico em todos processos de clarificação)

⇒ Auxiliares: fosfatos (min.150 ppm), bentonita, polieletrólitos.

Esses agentes químicos sob efeito da temperatura, provocam a formação de precipitados que promovem a remoção das impurezas sem afetar o teor de sacarose. As conseqüências do emprego de caldo tratado de forma deficiente são: problemas de incrustação na etapa de evaporação e formação de cristais de sacarose impuros. Os agentes químicos normalmente empregados nas usinas nesta etapa são: sulfito (sulfitação) e leite de cal (caleação). É comum adicionar-se um pouco de H3PO4, pois os caldos que contém baixo teor de fosfato (teor normal deve estar situado entre 70 a 400 ppm), não são clarificados adequadamente. Baixos teores de fósforo acarretam: caldos escuros, pequeno volume de borras, baixa remoção de cálcio, clarificação dificultada e borras não compactas.

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