A industrialização da cana-de-açúcar visa produzir os alimentos doces mais universais, a sacarose cristalizada e um importante combustível para automóveis, o etanol. A rentabilidade do processamento da cana-de-açúcar, seja para produção de açúcar ou álcool, está relacionada à eficiência da recuperação da sacarose e à qualidade do produto produzido. Com o pensamento voltado para esses aspectos, nesta publicação buscamos abordar os assuntos do controle químico do processo de fabricação de açúcar e álcool e todos os aspectos a ele relacionados.
Nosso objetivo era que esta publicação se tornasse um instrumento complementar aos temas 'Produção de Açúcar' e 'Produção de Álcool' e fosse útil para estudantes, profissionais e interessados no setor agroindustrial sucroalcooleiro.
Aspectos gerais do controle químico
O controle químico do processo produtivo de açúcar e álcool é realizado por meio de análises laboratoriais de amostras de matérias-primas, insumos, materiais em processo, produtos finais e efluentes e resíduos industriais. As equações de balanço de massa são uma importante ferramenta de apoio ao controle químico de um processo tecnológico como o de uma usina de açúcar ou destilador de álcool. Da reação química anterior, 1 mol de açúcar gera 2 mols de álcool etílico, ou seja, 180 g de açúcar geram 92 g de álcool.
Uma usina de açúcar é uma sequência de operações, cada uma com seu valor de eficiência.
Controle da cana para fins de pagamento pela qualidade
Na análise laboratorial, o Brix do caldo pode ser considerado como o valor lido no refratômetro. A unidade industrial poderá recusar o recebimento de remessas de cana-de-açúcar com pureza de caldo inferior a 75%. A percentagem de açúcares redutores no caldo pode ser estimada a partir da pureza do caldo.
A metade do valor obtido pela análise do caldo corresponde ao teor de sacarose desse caldo.
Amostragem
Essa água deverá ser amostrada e analisada, principalmente em termos de teor de ART e pH, para avaliar as perdas de açúcar no sistema. Dado que a cana-de-açúcar recebida é constituída por um material muito heterogéneo, devido às diferentes variedades, ao tipo de colheita, ao grau de maturação, etc., a amostragem deve ser realizada com a maior frequência possível. O conservante deve ser colocado de forma que não entre em contato com os resíduos amostrados (Figura 3.1).
O caldo filtrado também deverá ser analisado em amostra horária coletada para análise a cada seis horas. O caldo filtrado deve ser armazenado da mesma forma que os demais caldos, adicionando cloreto mercúrico. A frequência de coleta do material deverá ser a cada três horas e as determinações analíticas são pol, umidade e ART.
Este material deve ser amostrado na linha de abastecimento do tambor, se possível continuamente. O vinho deve ser analisado quanto aos seguintes itens: teor alcoólico, percentual de levedura, pH, acidez, glicerina e nitrogênio. A levedura tratada no tanque de pré-fermentação deve ser amostrada e analisada imediatamente após o carregamento do equipamento.
A amostragem do material deverá ser preferencialmente contínua ou com frequência horária. O produto final, seja álcool anidro ou hidratado, deverá ser amostrado em tanques ou reservatórios medidores.
Balanço de massa e controle de processo I
O balanço de massa é realizado em função da quantidade de água necessária para o açúcar, do teor de sacarose da cana-de-açúcar e do teor de açúcar na água que entra na lavagem e sai como efluente a ser tratado (Figura 4.1). A água aplicada possui teor de ART de 50 mg/litro e a água efluente possui teor de 200 mg/litro. Assim, as equações de balanço de massa podem ser aplicadas a vários cálculos de estimativa de vazão ou eficiência.
A partir das fórmulas de balanço de massa apresentadas, podem ser derivadas expressões algébricas secundárias, como as apresentadas a seguir. A extração absoluta é um parâmetro importante para a realização de cálculos de balanço de massa em uma usina e destilaria, mas seu valor é amplamente influenciado pelo teor de fibra na cana e, em menor grau, pelo teor. A transformação da extração absoluta para extração reduzida consiste em converter a extração absoluta para um teor de fibra padrão, que geralmente é de 12,5%.
Considerando uma usina A cuja extração absoluta é de 96%, processando cana com teor de fibra de 12%, e uma usina B, processando cana com teor de fibra de 14% e cuja extração absoluta é de 95,5%, qual dos dois equipamentos funciona melhor. O setor de tratamento de líquidos de uma usina de açúcar necessita de controle químico para minimizar tanto as perdas determinadas, que ocorrem principalmente na torta de filtro, quanto as perdas indeterminadas, que ocorrem principalmente no clarificador devido à destruição da sacarose. Para fins de balanço de massa do sistema, o fluxograma pode ser apresentado conforme a Figura 4.4, que também contém as notações aprovadas.
A característica da torta de filtro por esse critério é obtida levando-se em consideração a pureza do caldo presente na torta, estimada em 80%, e o teor de sólidos solúveis (Brix), estimado pela polarização da divisão do biscoito por 0,80 ou multiplique por 1,25. A retenção de substâncias insolúveis pelo sistema de filtração é determinada principalmente pelo teor de açúcar perdido na torta, ou seja, sua polarização.
Balanço de massa e controle de processo II
Este tipo de açúcar pode ser dividido em duas subcategorias, que são o açúcar refinado granulado e o açúcar refinado amorfo. O álcool produzido a partir da cana-de-açúcar tem “etila” como grupo “R-”, o que significa que é o composto etanol. O álcool produzido pela fermentação alcoólica do caldo de cana é separado por destilação após sua produção.
A Escala Internacional de Açúcar definida pela Comissão Internacional de Métodos Uniformes de Análise de Açúcar (Icumsa) define a unidade de polarização como graus de Zucker (oZ). Atualmente, esse indicador de qualidade é analisado de forma indireta, medindo a condutividade elétrica de uma solução açucarada; por meio de uma expressão esse vapor é convertido em cinzas. Qualquer material retido por uma membrana com poros de 8 µm é considerado um resíduo insolúvel presente na amostra de açúcar.
Este método é realizado flutuando uma amostra de açúcar sobre uma superfície inclinada que possui um forte ímã. As especificações do açúcar cristal estabelecem um máximo aceitável de partículas magnetizáveis de 2 mg/kg para produtos de boa qualidade. Existem diversas alternativas ao uso do SO2, como o processo de carbonatação utilizado pelos fabricantes de açúcar de beterraba.
Os compradores externos de açúcar VHP estão agora mais rigorosos e normalmente fixam um máximo de 140 mg/kg. Os padrões dos compradores internacionais de açúcar VHP estabelecem um máximo permitido de dextrana de 170 mg/kg. Essa determinação é feita por meio de uma série de peneiras, nas quais os grânulos de açúcar são distribuídos de acordo com seu tamanho.
As metodologias propostas pela Icumsa são aceitas mundialmente no comércio internacional de açúcar.
Balanço energético I
O objetivo do controle químico de uma fábrica ou destilaria de álcool é produzir açúcar e álcool com alto rendimento e criar produtos de qualidade. A indústria sucroalcooleira necessita de grande quantidade de energia para extrair a sacarose da cana-de-açúcar, processar o caldo e cristalizá-lo. O processo agroindustrial de produção de álcool representa inicialmente a demanda por energia no cultivo da cana-de-açúcar, nas operações agrícolas, no transporte do colmo da cana-de-açúcar do campo para a indústria, na energia incorporada nos fertilizantes, no calcário e nos herbicidas (Tabela 7.1).
Na etapa industrial do processo, a necessidade média de energia é de 8.707 kcal por tonelada de cana processada, conforme tabela 7.2. O mau funcionamento deste equipamento pode comprometer toda a política de economia de combustível de uma empresa. Assim, as necessidades energéticas exigidas pela caldeira, como bomba d'água, sopradores de fuligem, etc., serão consideradas ou não no balanço energético, dependendo de como estiver localizada a superfície de controle.
A eficiência de uma caldeira calculada pelo método indireto é muito útil quando é difícil determinar com precisão a vazão do combustível ou vapor gerado. Este método é baseado na determinação das perdas de energia através da superfície de controle. Os locais de perda de energia são os gases emitidos pela chaminé, limpeza, cinzas, radiação, etc.
A quantidade de vapor gerada por kg de bagaço queimado varia de acordo com a eficiência da caldeira. O consumo específico teórico de vapor de uma turbina é definido como a massa de vapor necessária para produzir uma unidade de potência.
Balanço energético II
A demanda de vapor das turbinas é função da potência exigida pelos equipamentos que acionam. Essa energia é medida em HP ou kW, e a quantidade de vapor necessária é o tópico discutido a seguir. Para calcular o consumo de vapor na moagem, primeiro calcule a potência mecânica necessária para acionar o equipamento.
Outra importante fonte de demanda por vapor direto em usinas e destilarias é a autogeração de eletricidade nos chamados turbogeradores. Por exemplo, calcule o consumo direto de vapor dos turbogeradores em uma usina que requer 13 kW de potência por tonelada de cana-de-açúcar. Como exemplo, calcula-se a necessidade de vapor de exaustão para aquecer o líquido de 30 a 105 oC, levando em consideração cada tonelada de cana processada.
No setor da cozinha, a procura de vapor é difícil de calcular porque se trata de uma operação que se realiza maioritariamente de forma intermitente, em lotes. Na desidratação de álcool, a demanda de vapor depende da tecnologia utilizada, que seria um processo utilizando ciclohexano, monoetilenoglicol (MEG) ou peneira molecular. Em geral, a demanda por vapor de exaustão é maior que a demanda por vapor direto, ou seja, sua produção não corresponde ao consumo.
Portanto, é necessário desviar uma certa quantidade de vapor direto, cuja pressão é reduzida e que complementa a necessidade de vapor de baixa pressão. Os valores consolidados na tabela mostram que uma fábrica nesta configuração consome um total de 575 kg de vapor por tonelada de cana processada.
