O processo industrial de produção de açúcar, etanol e energia é composto pelos seguintes setores: recepção de cana, extração do caldo, tratamento do caldo, produção de açúcar, produção de etanol, geração de energia/vapor, estação de tratamento de água, tanques de armazenamento de álcool e armazéns de açúcar (Figura 2. 10).
Figura 2. 10 - Layout fabril de produção de açúcar, etanol e energia (PECEGE, 2011).
Como o foco do presente trabalho está na produção de açúcar cristal branco, serão descritas as etapas envolvidas nesse processo (Figura 2. 11).
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Figura 2. 11 - Etapas de produção de açúcar cristal branco.
a) Recepção da matéria-prima
No Brasil, o transporte da cana até a usina é predominantemente do tipo rodoviário, com o emprego de caminhões que carregam cana inteira ou picada em toletes de 20 cm a 25 cm (Figura 2. 12). Os caminhões são pesados antes e após o descarregamento, obtendo-se o peso real da cana pela diferença entre as duas medidas. Algumas cargas são aleatoriamente selecionadas e amostradas, para posterior determinação, em laboratório, do teor de sacarose na matéria-prima. O objetivo da pesagem é possibilitar o controle agrícola, o pagamento do transporte, o controle de moagem, o cálculo do rendimento industrial e, juntamente com o teor de sacarose na cana, efetuar o pagamento da mesma (MERHEB, 2009).
Figura 2. 12 - Transporte rodoviário de cana-de-açúcar: (A) Transporte de cana inteira e (B) Transporte de cana picada e descarregamento da Usina.
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A cana é descarregada em mesas alimentadoras que irão preparar a matéria- prima para a extração do caldo. Nessa etapa, a cana passa por um sistema de limpeza com água ou a seco, e após é picada e desfibrada.
b) Extração do caldo
Os sistemas de extração de caldo de cana-de-açúcar mais utilizados são a moagem e a difusão (Figura 2. 13).
Figura 2. 13 - Sistema de extração de caldo de cana: (A) Moenda e (B) Difusor.
A moagem (Figura 2. 14) é um processo de extração de caldo, onde a cana após ter sido desfibrada passa pelos ternos, que são rolos de esmagamento e compressão.
Os caldos extraídos do 1º terno e do 2º terno, chamados de caldos primários e secundários são encaminhados a uma peneira rotativa para separação de fibra e bagacilhos, e, geralmente, são dirigidos à fábrica de açúcar. Nos ternos seguintes continua-se a extração, com uma corrente de água aquecida, chamada de embebição, em fluxo contrário a entrada de bagaço, para aumentar a extração dos açúcares. Esse caldo final obtido é chamado de caldo misto, e após ser peneirado é também, geralmente dirigido a fábrica de produção de álcool. O bagaço produzido nessa etapa é usado como combustível nas caldeiras (AMARAL, 2006 e JESUS, 2004).
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Figura 2. 14 - Fluxograma de extração de caldo nos ternos da moenda (DEDINI, 2011).
O outro processo de extração da sacarose da cana é por difusão (Figura 2. 15), que é pouco utilizado no Brasil. A diferença básica entre os dois processos reside na maneira de separar o caldo da fibra. Nesta separação, o difusor realiza duas operações:
Difusão: separação por osmose, relativa apenas às células não rompidas da cana, aproximadamente 3%;
Lixiviação: arraste da sacarose sucessivamente com as impurezas contidas nas células abertas pela água.
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Quando comparados os dois sistemas de extração, podem ser citadas vantagens e desvantagens da utilização para a indústria, no entanto para a produção de açúcar branco, a principal vantagem da utilização da moagem, é que ela extrai menos componentes vegetais da cana, como por exemplo, compostos fenólicos (DEDINI, 2011), que poderão aumentar a cor do caldo, aumentando a cor do açúcar.
c) Tratamento do caldo
O caldo de cana obtido no processo de extração apresenta quantidade e qualidade variáveis de impurezas, que podem ser solúveis ou insolúveis. Para que o caldo seja utilizado na produção de açúcar, ele deve passar por algumas etapas de tratamento (Figura 2. 16).
Figura 2. 16 - Etapas do tratamento do caldo para produção de açúcar cristal branco (MERHEB, 2011).
Após ser peneirado, para a remoção de impurezas grossas, o caldo passa pelas etapas de remoção das impurezas menores que podem ser solúveis, coloidais ou insolúveis. Essas etapas, descritas na Figura 2. 16, visam principalmente a coagulação, a floculação e a precipitação dessas impurezas, que serão eliminadas por sedimentação após a etapa de decantação. Ao final do tratamento, o caldo clarificado é enviado para o setor de concentração.
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d) Concentração do caldo clarificado
O caldo clarificado obtido nos decantadores é submetido a um processo de concentração através da eliminação da água presente. O sistema de evaporação é constituído de pré-evaporadores e evaporadores de múltiplo efeito (Figura 2. 17).
Nos evaporadores em múltiplo efeito concorrente, o vapor gerado na caixa de evaporação precedente é utilizado como fonte de aquecimento para a caixa posterior (JESUS, 2004).
Figura 2. 17 - Sistema de pré-evaporadores e evaporadores.
O caldo clarificado apresenta, inicialmente, uma concentração de 14 - 16º Brix chegando, no final da concentração nos evaporadores, a 55º - 65º Brix, quando recebe a denominação de xarope.
e) Cristalização
O xarope produzido na etapa de evaporação é concentrado em equipamentos denominados cozedores (Figura 2. 19), os quais são semelhantes aos evaporadores, mas se diferem por trabalharem individualmente sob vácuo e de forma descontínua.
No cozedor, o xarope é concentrado sob vácuo até atingir o grau de supersaturação de 1,1 a 1,2. Logo após, a solução supersaturada é semeada com núcleos cristalinos. A batelada é mantida alimentada com xarope ou mel até que os cristais de açúcar
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atinjam o tamanho desejado. A mistura de xarope, mel e cristais no final do cozimento é chamada de massa cozida.
O sistema de cozimento pode apresentar até 3 tipos de massa cozida: Massa A, que dará origem ao açúcar de consumo; Massa B, utilizada como pé-de-cristalização; e a Massa C, que poderá ser utilizada para enriquecer o xarope/mel de alimentação dos cozedores.
Figura 2. 18 - Sistema de cozimento de 3 massas (MERHEB, 2011).
A massa A é comumente obtida do xarope concentrado sob vácuo, semeado com o pé-de-cristalização (mistura de cristais com tamanho médio de 0,3 mm e mel B) e alimentado com xarope proveniente da evaporação. Terminada a batelada alimentada, essa massa cozida passa pelo “aperto final”, que é a etapa do cozimento onde apenas ocorre o fornecimento de calor sob vácuo, aumentando-se a concentração da solução. Após essa etapa, a massa A é descarregada nos chamados cristalizadores (tanques em forma de U, dotados de agitadores), onde irá ocorrer o resfriamento lento, geralmente com auxílio de água ou ar, que visam recuperar parte da sacarose ainda dissolvida no mel, pois pelo resfriamento haverá deposição da sacarose nos cristais existentes, aumentando o tamanho dos mesmos (Figura 2. 19). Finalizada esta etapa a massa A é centrifugada, separando o açúcar de consumo do Mel A (MERHEB, 2009).
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Figura 2. 19 - Sistema de cristalização por evaporação a vácuo: (A) Cozedores e (B) Cristalizadores horizontais.
A massa B é comumente obtida do mel A concentrado sob vácuo, semeado com suspensão alcoólica de açúcar (mistura de cristais com 0,022 mm de tamanho médio e álcool anidro) e alimentado com mel A. Os cristais crescem até aproximadamente 0,3 mm nessa massa, a qual também passará pelo “aperto final”, será descarregada em outros cristalizadores horizontais para Massa B e centrifugada, para separação do magma B (mistura de cristais com tamanho médio de 0,3 mm com um pouco de mel B) do mel B. O magma B será utilizado como pé-de-cristalização para os cozedores de massa A, e o mel B alimentará os cozedores de massa C (MERHEB, 2009).
A massa C é comumente obtida do mel B concentrado sob vácuo, semeado com magma B e alimentado com mel B. Finalizada a batelada alimentada, essa massa também passará pelo “aperto final”, será descarregada em cristalizadores horizontais, e centrifugada para separação do magma C do mel C. O magma C poderá ser utilizado para enriquecimento do xarope de alimentação dos cozedores de massa A, e o mel C para a fabricação de álcool (MERHEB, 2009).
Há muitas Usinas que trabalham apenas com duas massas A e B. Nesses casos, no final da centrifugação da massa B, o mel B é encaminhado para a fabricação de álcool, no lugar do mel C (MERHEB, 2009).
f) Centrifugação do açúcar
A massa cozida A resfriada segue para o setor de centrifugação, e é descarregada nas centrífugas descontínuas(Figura 2. 20). Essas são constituídas por um cesto perfurado, fixado a um eixo e acionado por um motor que o gira a alta velocidade. A ação da força centrífuga faz com que o mel atravesse as perfurações da tela do cesto, ficando retido
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em seu interior somente os cristais de sacarose. O processo se completa pela lavagem do açúcar com água e vapor, ainda no interior do cesto. O açúcar então é descarregado em esteiras e segue para o setor de secagem, pois apresenta alto teor de umidade (0,5% a 2%), bem como temperatura elevada (65-95°C), devido à lavagem com vapor. O mel A removido é coletado em um tanque e retorna aos cozedores.
Figura 2. 20 - Centrífugas descontínuas.
As massas cozidas B e C são centrifugadas em centrífugas contínuas (Figura 2. 21). A separação centrífuga ocorre no cesto cônico, sobre as telas para filtração. Com a subida da massa sobre a tela, os méis são separados dos cristais de açúcar.
Figura 2. 21 - Centrífugas contínuas (PAULINO, 2003).
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g) Secagem
Essa etapa consiste na secagem e no resfriamento do açúcar produzido. É realizada em secadores rotativos, que são tambores metálicos, que através do qual passa um fluxo de ar, podendo ser classificados em convencionais (Figura 2. 22), adiabáticos (Figura 2. 23) ou de exaustão central (Figura 2. 24).
Figura 2. 22 - Secador rotativo convencional (PAULINO, 2003).
Figura 2. 23 - Secador rotativo com resfriador adiabático (PAULINO, 2003).
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Ao deixar o secador, com uma temperatura entre 35º e 40°C e umidade na faixa de 0,03% a 0,04%, o açúcar está pronto para ser enviado ao ensaque. O ar que passa pelo secador arrasta consigo uma pequena quantidade de pó de açúcar, sendo, portanto necessária a lavagem desse ar para recuperação do açúcar arrastado, retornando-o posteriormente ao processo.
h) Ensaque, pesagem e armazenamento do açúcar
Após secagem, o açúcar é recolhido a uma moega com fundo afunilado, que o despeja de forma descontínua, diretamente no saco localizado em cima de uma balança, realizando, portanto, a operação de ensaque e pesagem. Máquinas de costura industriais realizam o fechamento do saco, que está pronto para a armazenagem. O açúcar é armazenado em sacos de 1 kg e 50 kg, bags de 1000 kg e a granel em locais previamente determinados, facilitando o controle de qualidade.
Figura 2. 25 - Ensaque de bags e armazenamento a granel (PAULINO, 2003).