Tratamento do caldo – Parte 2

Tratamento do caldo – Parte 2

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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 equipamen- to 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 clarifica- dor desenvolvido por Demig. Porém, o decantador que teve mais êxito foi o Dorr, que surgiu em Cuba no ano de 1918. 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 ban- dejas 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 desti- nado 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;

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b)precipitação lenta provocada pela alta viscosidade do caldo ou pela pe- quena 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 KD d d g

= ²

(

1− 2

)

18µ em que:

V: velocidade de sedimentação em cm/s;

D: tamanho médio da partícula em cm;

d₁: densidade da partícula em g/cm³; d₂: densidade do meio fluido em g/cm³; g: aceleração da gravidade em cm/s²;

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 alcan- çam 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

Quando a clarificação não é muito eficiente, pela má aplicação de reagen- tes ou pela própria qualidade do caldo, observa-se uma variação do pH entre os compartimentos do decantador. Essa irregularidade poderá resultar na inversão

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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 pro- vocar a inversão da sacarose e a destruição dos açúcares redutores, o que sig- nifica 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 dimi- nuição do Brix ocasionado pela destruição dos redutores e a formação de ácidos.

Muitas indústrias açucareiras utilizam um parâmetro denominado Coeficien- te 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:

C G. .= ⋅sacarose pol 100 açúcares redutores

( )

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 inver- são 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 po- dem produzir gases que, por sua vez, geram turbulências que retardam a preci- pitação dos flóculos.

O maior período de operação dos decantadores sem que ocorra a sua liqui- dação e limpeza não deve exceder a seis semanas.

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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. Dis- positivos 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 cla- rificado é retirado lateral e radialmente, conforme pode ser visto na Figura 6.1.

Quanto aos decantadores que possuem bandejas internas, estas apresen- tam 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

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

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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.

6.10 Lodo

O material precipitado e compactado na parte inferior do decantador é re- tirado 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 di- ferentes 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

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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 apre- sentado 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.

6.12 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 equipamen- tos denominados lentos.

As vantagens e desvantagens dos equipamentos rápidos ou lentos estão apresentadas a seguir:

Vantagens do decantador rápido

a)apresenta baixo tempo de retenção (1 hora aproximadamente);

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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 pro- cesso 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 instala- ção 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 ¹/2horas);

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.

6.13 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 produ- ção 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.

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6.14 Filtro rotativo a vácuo

O filtro rotativo a vácuo, ou Oliver Campbell, é formado por um tambor rota- tivo com seu eixo na posição horizontal e que se encontra parcialmente mergu- lhado 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 cm². O tambor gira numa velocidade de 3 a 9 rpm e a taxa de filtração corresponde de 200 a 400 litros de caldo por m² 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 fragmen- tos 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 aspi- ração 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 fer- mentação para ser utilizado na fabricação de álcool.

Figura 6.5 Filtro rotativo a vácuo.

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 su- perfície 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 nes- se processo, a fim de diminuir a viscosidade do líquido, aumentando a taxa de

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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.

6.15 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-pri- ma 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%

SiO₂ 0,8%

CaO 0,8%

Nitrogênio 0,4%

K₂O 0,02%

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6.16 Superfície filtrante

A superfície filtrante de um filtro rotativo a vácuo deve ser em média de 0,5 m² por tonelada de cana processada por hora. Usinas que utilizam sistema de ex- tração 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 (m²)

Dimensão (pés)

Superfície (m²)

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

(mm)

8x9 20,7

8x10 23,0 3000x3000 28,7

8x12 27,6 3000x3500 32,9

8x14 32,2 3000x4000 37,7

8x16 36,8 3000x4500 42,4

3000x5000 47,1

3000x5500 51,8

6.17 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 dm² ou chapa de ferro perfurada. As necessidades de malha são de 0,1 a 0,5 m² 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.

A proporção e o tamanho das partículas de bagacinho são fatores impor- tantes 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-

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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 im- portante para se atingir um alto valor de retenção de insolúveis.

6.18 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 solú- veis presentes no lodo que foi retido na torta do sistema de separação:

R 1 material insolúvel na torta material insolúvel no lodo

= 00

Como o material insolúvel retido na torta é a diferença entre o material in- solúvel no lodo e no filtrado, podemos escrever:

R 1= − 00 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 fil- tração 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.

6.19 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 di- versas 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

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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.

6.20 Outros reagentes utilizados no tratamento do caldo

O teor de fosfatos nas canas brasileiras varia de 150 a 200 ppm, na forma de P₂O₅, 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 precipita- do 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 decanta- ção. 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.

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Figura 6.8 Representação de uma cadeia de um polímero agregando pequenas partí- culas em suspensão.

6.21 Remoção das impurezas do caldo

O sistema de tratamento do caldo tem por função remover o material coloi- dal 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 clarifi- cação, 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 33

6.22 Referência

COPERSUCAR. Boletim Técnico. Piracicaba: [s.n.], 1985.

No documento Tecnologia de Produção de Açúcar de Cana (páginas 116-132)