O processo industrial de produção de etanol é divido em diversas etapas, envolvendo desde a limpeza da cana até o processo de destilação e obtenção do etanol. As seguintes etapas e operações envolvidas na linha de produção de etanol foram consideradas neste trabalho, bem como o ciclo térmico tradicional.
- Preparação e moagem de cana para extração do caldo; - Preparação do caldo para o processo de fermentação; - Destilação do vinho produzido durante a fermentação;
Esses processos podem variar de acordo com os equipamentos utilizados e a integração energética entre as etapas.
Preparação e moagem da cana
Inicialmente após a recepção e lavagem, a cana é transportada em esteiras para o preparo onde a cana é desintegrada para facilitar a extração do caldo por moendas e difusores. Esse processo
é realizado por um conjunto de picadores e martelos rotativos que cortam e desfibram os colmos da cana-de-açúcar, geralmente são acionados por turbinas a vapor ou motores elétricos.
O preparo de cana é o processo de cominuição do tamanho dos colmos da cana-de-açúcar, em pedaços de tamanho adequado para a alimentação das moendas, e para o subsequente processo de extração do caldo da cana-de-açúcar (Rein, 2007). A eficiência da extração do caldo tem uma significativa dependência do preparo que é dado à cana, devido à função de adensamento da massa de cana que é encaminhada para as moendas, e ainda promover a ruptura e abertura das células que contém sacarose para melhor extração do caldo.
O processo de extração do caldo da cana pode utilizar duas técnicas diferentes: a extração por moagem ou a extração por difusão. Ambos os processos dão origem ao bagaço de cana com características ligeiramente diferentes.
O processo de moagem da cana-de-açúcar separa a sacarose contida no suco, que é extraída através da compressão da parte fibrosa (colmos). A extração é mensurada por uma taxa percentual entre a sacarose contida na cana e a sacarose extraída. Para aumentar a extração de sacarose realiza- se a adição de água à cana durante o processo de moagem. Esse processo é chamado de embebição, uma vez que o bagaço, ao sair dos ternos de moenda, ainda retém uma quantidade de caldo por capilaridade, ou ainda, em células não esmagadas (Camargo et al. 1990).
A extração por difusão é o processo onde as células são rompidas em solução a alta temperatura, com diferentes concentrações, separadas por uma membrana permeável da célula se misturam e adquirem a mesma concentração, ao longo de um tempo. O processo de difusão nas usinas de açúcar e álcool é realizado por difusores de percolação de cana, processo em que a água e o caldo quente são recirculados em sentido contrário ao movimento da cana já preparada (desfibrada). Existem vários tipos de difusores de percolação, nos formatos em “U” anulares ou mesmo inclinados, mas os mais usados são os de colchão horizontal, formado por um túnel aberto nas extremidades. O fundo é feito por chapas perfuradas onde o leito feito de cana desfibrada é arrastada por meio de uma esteira no sentido contrário ao meio difusor (água e caldo diluído) (Rein,
2007).
Preparação do caldo para o processo de fermentação
O tratamento do caldo misto é a etapa posterior a extração do caldo e prévia ao processo de produção. O tratamento consiste de algumas etapas, que visa o peneiramento, aquecimento e decantação de impurezas. O peneiramento é realizado em peneiras rotativas, para remoção de material em suspensão como areia e partículas maiores.
O aquecimento do caldo ocorre em aquecedores primários e secundários que utilizam vapor de baixa pressão do processo e das turbinas de contrapressão. O caldo misto proveniente da extração com temperatura em torno de 40 °C é aquecido até atingir 105 °C e enviado para decantação. A decantação é o processo de remoção de impurezas por floculação e sedimentação nos decantadores.
Pré-evaporação do caldo
A pré-evaporação consiste na primeira etapa de concentração do caldo misto vindo do tratamento de caldo. Devido ao grau de dissolução realizado na extração de caldo, esse caldo chega com baixa concentração em torno de 14 a 17°Brix, assim a remoção de água no processo é o principal objetivo da etapa de pre-evaporação. A concentração do caldo na etapa de evaporação visa atingir uma solução com concentração em torno de 60 °Brix.
Os sistemas de evaporação de múltiplos efeitos são os mais utilizados nas usinas do setor sucroalcooleiro, onde o vapor e o caldo são alimentados no pré-evaporador e seguem em correntes paralelas até o último efeito da evaporação. Em geral o sistema é composto por cinco efeitos, o primeiro efeito denominado pré-evaporador tem o dobro de área de troca de calor dos demais efeitos.
O pŕe-evaporador é alimentado por vapor de escape das turbinas a 1,5 bar. A evaporação da água em excesso no caldo no pré-evaporador, produz vapor conhecido como vapor vegetal de primeiro efeito, que alimenta os estágios seguintes de evaporação.
Fermentação
A fermentação é um processo biológico que transforma o açúcar contido no caldo em etanol, dióxido de carbono e outros compostos remanescentes, este último porém em concentrações muito baixas. Este processo pode ser feito em fermentadores contínuos ou em batelada. A fermentação é feita em temperaturas próximas da temperatura ambiente e a geração de calor devido à fermentação exige um sistema de resfriamento do caldo durante o processo. Portanto, não há demanda de energia térmica nesta etapa de produção.
Destilação
o etanol hidratado (96 ºGL) ou o etanol anidro (99 ºGL). A produção de etanol hidratado é feita normalmente em duas etapas de destilação. Devido às propriedades azeotrópicas da mistura água- etanol, a produção de etanol anidro exige uma etapa adicional. O suprimento de energia na destilação é feita por vapor de escape, sendo eventualmente complementado por vapor vegetal de primeiro efeito, se disponível, ou vapor de média pressão (10 bar), quando necessário.
5.2. Fluxograma do processo de produção de etanol
As etapas de uma linha de produção de etanol foram detalhadas e indicadas no diagrama da Figura 5.1. O diagrama permite identificar as correntes dos produtos em cada operação do processo, e as demandas de energia térmica equivalente, como também o vapor produzido no ciclo de cogeração das usinas.
Os índices adotados de A à K apresentados em cada trecho do fluxograma representam os fluxos dos produtos e as condições de entrada em cada etapa do processo produtivo, e a numeração de 1 à 10 indicam o consumo específico de vapor, com informações de temperatura, pressão e fluxo nas etapas do processo. Os índices são apresentados na Tabela 5.1.
Figura 5.1. Fluxograma do sistema de cogeração de energia de uma usina típica com produção exclusiva de etanol de cana-de-açúcar
Tabela 5.1. Propriedades dos fluxos de produtos em cada etapa do processo e parâmetros de consumo de vapor são indicados no fluxograma de uma unidade típica.
Identificação Fluxo de Processo Taxa de fluxo -[kg/tc] Temperatura[ºC] Pressão [bar] Concentração
A Caldo misto 959 42,0 - 14,01 B Caldo misto 959 72,2 - 14,01 C Caldo misto 959 105,0 - 14,01 D Caldo clarificado 895 96,0 - 14,01 E Caldo Pre-evaporado 675 115,0 - 18,51 F Caldo Pre-evaporado 675 72,2 - 18,51 G Mosto 675 32,0 - 18,51 H Vinho 734 - - 8,32 I Etanol 63.2 - - 99,02 J Bagaço 250 - - - K Excedente de bagaço 27,6 - - -
1 Vapor de alta pressão 480 320 22 -
2 Vapor de alta pressão 280 320 22 -
3 Vapor de alta pressão 161,4 320 22 -
4 Vapor de alta pressão 38,9 320 22 -
5 Vapor de escape 245,3 130 2,5 - 6 Vapor de escape 90,4 130 2,5 - 7 Vapor de escape 144,6 130 2,5 - 8 Vapor vegetal 218,4 115 1,0 - 9 Vapor vegetal 162,8 115 1,0 - 10 Vapor vegetal 55,6 115 1,0 -
1 kg sacarose/kg caldo de cana. 2 kg etanol/kg caldo de cana.
Os índices apresentados na Tabela 5.1 foram definidos a partir das correntes de entrada nas etapas do processo e do balanço de energia de uma usina típica, permitindo obter as condições de concentração requeridas para os produtos e obter as demandas de vapor, por tonelada de cana processada.
No diagrama da Figura 5.1 o ponto A indica o fluxo de caldo extraído na moagem de cana, o fluxo segue para o processo de aquecimento no regenerador e logo após passa por um trocador de calor no ponto B, na sequência o caldo aquecido é encaminhado para decantação e remoção de impurezas no ponto C, normalmente com auxílio de adição de cal. O caldo então é encaminhado ao processo de evaporação, ponto D, para elevar a concentração. Após a evaporação o caldo não está na condição ideal para ser encaminhado ao processo de fermentação, devido a alta temperatura, assim para um melhor aproveitamento da energia o caldo pré-evaporado retorna ao regenerador em E para ser resfriado e aquecer o caldo misto extraído nas moendas. Após o regenerador no ponto F o caldo tem sua concentração ajustada, e é resfriado até atingir a condição conhecida como mosto, adequada para ser enviado para a fermentação em G. Na sequência após a fermentação do mosto é obtido um vinho com determinado teor alcoólico que é enviado para destilação em H e produção de etanol.
Em 1 o vapor de alta pressão produzido é distribuído para as turbinas de acionamento e de gerador elétrico. As indicações 2, 3 e 4, representam respectivamente o consumo de vapor na moagem de cana, no acionamento do gerador elétrico e no bombeamento.
O vapor produzido na expansão das turbinas de contrapressão, vapor de escape, é distribuído para as etapas consumidoras no processo de produção de etanol. A etapa 5 representa o vapor de expansão fornecido para o aquecimento do caldo na pré-evaporação, a etapa 6 representa vapor fornecido a destilação, a etapa 7 indica o excesso de vapor descartado devido ser considerada apenas uma unidade de produção de etanol.
Nas usinas típicas parte da demanda de energia térmica nas etapas de aquecimento e destilação é fornecida por vapor gerado na evaporação da água do caldo na etapa de pré- evaporação, conhecido como vapor vegetal.
Na etapa 8 o vapor vegetal produzido é fornecido ao aquecimento de caldo nos aquecedores e na etapa 9 parte do vapor vegetal gerado é fornecido para a destilação. Os valores de consumo de energia apresentados neste trabalho estão relacionados com a produção de etanol hidratado.