Análise do Percentual de Impurezas Vegetais e Minerais
Presentes na Cana-de-Açúcar
Tatiane Fernandes Zambrano Brassolatti1, Regiane Cristina Vieira2, Marcela Avelina Bataghin Costa1, Marcelo Brassolatti2
1Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), Câmpus
Salto – Salto - SP
2Universidade Federal de São Carlos (UFSCar)
3Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), Câmpus São
Carlos – São Carlos - SP
tatianefzb@uol.com.br, revieira.ufscar@gmail.com, macosta.ufscar@gmail.com, mbrassolatti@uol.com.br
Abstract. The main objective of this article is a study of the percentage of vegetable and mineral impurities present in sugarcane received from agriculture by an industry in the state of São Paulo. Impurities can cause premature wear of industrial equipment, lead to production stoppages for corrective maintenance and increase process costs. For quantification of impurities, samples of five receiving fronts of sugarcane were analyzed. The results obtained from these samples were compared to literature values. Resumo. O principal objetivo deste artigo é realizar um estudo do percentual de impurezas vegetais e minerais presentes na cana-de-açúcar recebida da área agrícola por uma usina localizada no interior do Estado de São Paulo. As impurezas podem causar o desgaste prematuro dos equipamentos industriais, ocasionar em paradas da produção para manutenções corretivas e aumentar os custos do processo. Para a quantificação das impurezas, foram analisadas as amostras de cincos frentes de recebimento da cana-de-açúcar. Os resultados apresentados por estas amostras foram comparados com os valores da literatura.
1. Introdução
Nos últimos anos, o sistema produtivo da cana-de-açúcar vem sofrendo algumas mudanças tecnológicas, proveniente da pressão sofrida pela diminuição da queima da cana e aumento da quantidade da colheita mecanizada da cana crua, assim como maior volume de impurezas na matéria-prima, tendo como consequência maior desgaste dos equipamentos e redução significativa do teor de sacarose da cana colhida.
A quantidade de matéria vegetal (palha, ponteiros e folhas verdes) na cana crua é bem maior quando comparada à cana queimada. Se não for retirada pela colhedora durante o processo de colheita, a densidade de carga diminui, aumentando os custos de transportes. Na indústria, os problemas decorrentes destas impurezas são: eficiência de extração do caldo diminuída, baixa eficiência da caldeira, problemas para recuperação do açúcar e além de problemas na fermentação alcoólica.
A quantidade e o tipo de impureza presente na matéria-prima têm influência direta sobre vários parâmetros da composição do caldo da cana-de-açúcar, tais como: Brix, Pol, açúcares redutores e cinzas.
As impurezas são responsáveis pelo desgaste por abrasão dos equipamentos utilizados na alimentação, preparo e moagem da cana e no tratamento do caldo, a intensidade destes desgastes tem relação direta com a degradação das máquinas durante a safra e a perda de seu desempenho.
Uma cana de qualidade deve apresentar alto teor de P2O5, ser de fácil
decantação, ter baixo teor de polissacarídeos (amido e dextrana) e baixo teor de corantes ou compostos precursores da cor como aminoácidos e polifenóis (LOPES, 2011). A cana com poucas impurezas melhora o rendimento da indústria e contribui para diminuição de manutenções durante a safra e a redução de custo no período de entressafra.
O principal objetivo deste artigo é realizar um estudo do percentual de impurezas vegetais e minerais presentes na cana-de-açúcar recebida da área agrícola por uma usina localizada no interior do Estado de São Paulo. Para tanto, foram analisadas as amostras de cincos frentes de recebimento da cana-de-açúcar. Os resultados apresentados por estas amostras foram comparados com os valores da literatura.
Este artigo se inicia com a descrição do método de pesquisa e com uma breve discussão sobre a mecanização da colheita de cana-de-açúcar e o aumento da quantidade de impurezas. Em seguida, tem-se a descrição dos processos de fabricação de açúcar e álcool e das perdas industriais que as impurezas podem ocasionar. Posteriormente, são descritos os resultados das análises de PBU, Brix e Pol da cana e o percentual de impurezas vegetais e minerais presentes em cinco frentes analisadas de acordo com uma amostragem aleatória. Por fim, são apresentadas as conclusões e as referências.
2. Método de Pesquisa
Este trabalho foi realizado em setembro de 2014, em uma usina de cana-de-açúcar localizada próximo a Ribeirão Preto (SP).
As amostragens foram realizadas em carregamentos de cana da área agrícola para a área industrial. As análises de impurezas minerais e vegetais foram realizadas a partir da coleta de amostras obtidas através de sonda mecânica obliqua, localizadas após as balanças de entrada das unidades industriais, os mesmos equipamentos e procedimentos utilizados na metodologia de amostragem para a cana-de-açúcar da Consecana – Conselho dos produtores de cana-de-açúcar, açúcar e etanol do Estado de São Paulo.
3. Revisão Bibliográfica
A lei nº 11.241/2002 do Estado de São Paulo dispõe sobre a eliminação gradativa da queima da palha da cana-de-açúcar devido ao alto impacto que a fumaça desse processo causa na saúde coletiva e no meio ambiente. Desta forma, adotou-se a colheita mecanizada em áreas cultiváveis de cana-de-açúcar nos últimos anos.
A colheita mecanizada trouxe melhorias ambientais, mas trouxe o aumento das impurezas vegetais e minerais na cana-de-açúcar. Os exemplos destas impurezas são: folhas verdes ou secas, pedras, terra, etc.
O aumento da terra na cana contribui para a diminuição do açúcar principalmente durante a lavagem da cana e no processamento da torta de filtro. As impurezas minerais estão diretamente ligadas à perda de sacarose durante o tratamento do caldo e também favorecem o aumento da produção de torta (resíduo) por tonelada de cana processada. Além disso, a terra carrega a contaminação de microrganismos que prejudicam à fermentação e, também, as leveduras selvagens que causam sérios prejuízos e o aumento do gasto de insumos.
Segundo Lopes (2011), 1% de impurezas vegetais adicionais na cana representam perda de 0,1 kg de sacarose por queda de extração na moenda. As perdas provenientes das impurezas vegetais estão associadas com o arraste de sacarose no bagaço final devido ao aumento da parcela de fibra no material. Além disso, esta impureza aumenta o consumo de energia e o desgaste dos equipamentos utilizados no preparo da cana, reduzindo a capacidade de moagem.
3.1 Efeitos das impurezas no processo produtivo
A seguir, apresenta-se um resumo dos principais processos de fabricação destes produtos e o impacto que as impurezas vegetais e minerais podem causar.
a) Recepção e preparo da cana-de-açúcar
A cana que chega a usina é trazida por caminhões que são pesados em balanças para se obter o peso real, que é a diferença entre o peso do caminhão vazio e o carregado de cana. Alguns caminhões são sorteados e amostrados por sonda extratora. A amostra coletada é homogeneizada, triturada e analisada em laboratório para determinação do teor de sacarose. Esta análise é realizada no laboratório de pagamento de cana pelo teor de sacarose (PCTS). Além de determinar a qualidade da matéria-prima recebida para pagamento dos fornecedores de cana pela ATR (açúcar total recuperável), estas análises também disponibilizam os dados para o controle agrícola, o controle de moagem e para o cálculo do rendimento industrial (NETO et al., 2009).
Realizada a etapa de amostragens, os caminhões seguem para a indústria na área de recepção e moagem, descarregando diretamente na mesa alimentadora, esta mesa tem como função lavar e conduzir a cana até a esteira principal do sistema de extração de caldo.
Grande parte das impurezas minerais da cana-de-açúcar é removida na mesa alimentadora. Trata-se de um equipamento fixo, inclinado a um ângulo de 45 graus para aumentar a eficiência de lavagem. A mesa alimentadora possui peneiras e fundo falso que facilitam a remoção das impurezas minerais. A cana picada é limpa por sopragem de ar (limpeza a seco).
Posteriormente, a cana supostamente limpa é direcionada às esteiras condutoras que possuem os conjuntos de picadores. O objetivo desta etapa é cortar a cana em pedaços menores. Em seguida, a cana passa pelos desfibradores, onde é rasgada e desfibrada por martelos oscilantes, aumentando a densidade da massa e formando um
material mais homogêneo e com fibras longas, rompendo as células para facilitar a etapa seguinte de extração do caldo (NETO et al., 2009).
A cana com alto índice de impureza mineral prejudica as facas e martelos, pois além da terra e areia, a cana pode conter pedras ou pedriscos, danificando o corte e diminuindo a vida útil dos equipamentos, além de aumentar o consumo energético durante o preparo da cana.
b) Extração do caldo
Após a preparação, a cana cai em uma esteira de borracha e passa pelo eletroímã onde é eliminada todas as partículas magnéticas. Em seguida se inicia a alimentação dos conjuntos de extração de caldo do tipo ternos de moenda, cada conjunto é composto por seis ternos, cada terno possui de três a cinco rolos, que se caracterizam pela extração do caldo por esmagamento, ou seja, submetem a cana desfibrada a uma alta pressão mecânica, que aumenta à medida que o caldo é extraído, após passar por cada terno.
A presença de impurezas minerais e vegetais na moenda pode ter várias consequências. A porcentagem de perda pode chegar até 1% da extração máxima da moenda durante a safra devido à depreciação de seus componentes. No processo podem causar aumento de desgaste nos desfibradores, bombas, tubulações, regeneradores de calor e aquecedores, além de diminuir o poder calorífico do bagaço gerado.
Outro fator importante é o excesso de palha causando embuchamento na moenda, seu desentupimento nem sempre é rápido dependendo da quantidade absorvida, o processo pode ficar horas parado.
O desgaste prematuro do sistema de preparo de cana, causado pela presença de impurezas, traz um prejuízo significativo para a operação industrial devido às paradas não programadas para manutenção e o sucateamento de partes dos equipamentos. Os únicos equipamentos de parada periódica nas usinas são justamente os picadores e os desfibradores.
Outro problema causado pelas impurezas minerais e vegetais é a presença de polissacarídeos, em virtude de suas propriedades físicas, resultam em efeitos negativos sobre o processamento da cana-de-açúcar. Segundo CUDDIHY et al. (2001), os polissacarídeos influem de maneira direta na qualidade do açúcar, pois aumentam a viscosidade do caldo, diminuem a taxa de filtração, dificultando assim a etapa de cristalização, devido ao atraso do crescimento dos cristais de açúcar.
Dentre os polissacarídeos presentes no caldo de cana, destaca-se o amido e a dextrana (produto gerado a partir da deterioração microbiológica da cana-de-açúcar por meio das bactérias do gênero Leuconostoc spp). Estes polissacarídeos geram uma massa gelatinosa que pode entupir as peneiras, como também retardar a cristalização tornando os méis mais viscosos.
O amido é o produto primário da fotossíntese, sendo estocado nas folhas de cana-de-açúcar como fonte de reserva energética. A grande concentração de impureza vegetal aumenta a quantidade de amido contido no caldo.
O caldo obtido na extração apresenta impurezas solúveis e insolúveis, que são eliminadas no tratamento por processo físico-químico. O tratamento químico consiste na floculação e na precipitação destas impurezas, que são eliminadas por sedimentação (NETO et al., 2009).
A temperatura do caldo é elevada aos 105°C em aquecedores a vapor. Quanto maior a quantidade de impurezas minerais, maiores são as incrustações no feixe tubular, resultando na necessidade de limpeza periódica. Caso não seja efetuada esta limpeza, haverá uma diminuição da troca térmica e da eficiência do aparelho.
O objetivo desta etapa é destruir os microrganismos que podem vir a prejudicar a produção. Posteriormente, o caldo é despressurizado e a temperatura é reduzida para 98 °C por flasheamento.
O caldo saído do balão de flash segue para o decantadores, que possuem a finalidade de eliminar as impurezas nele contida. Um caldo com grande concentração de impurezas prejudica a decantação e necessita de grande carga de polímeros utilizados para aumentar a capacidade de separação do caldo das impurezas sólidas. Um significativo aumento na adição de polímero aumenta o custo de produção. As impurezas sedimentadas nesta etapa constituem o lodo.
Posteriormente, a filtração é realizada com o auxílio de equipamentos rotativos a vácuo para a extração do caldo e tem como resíduo uma torta (NETO et al., 2009). Quanto maior o volume de impureza mineral, maior o volume de torta produzido, apesar da torta ser um resíduo utilizado na lavoura, sua alta produção não é favorável para o processo, pois em sua constituição pode conter grande quantidade de açúcar por arraste da terra. A perda de sacarose no tratamento do caldo está diretamente relacionada com o aumento das impurezas minerais e o respectivo crescimento da quantidade de torta produzida por tonelada de cana processada.
d) Fermentação
O processo fermentativo ocorre através da utilização de méis, xaropes e caldos filtrados da fabricação do açúcar. Os altos percentuais de impurezas minerais contribuem para um elevado índice de microrganismos presentes nestas matérias-primas, além de altas concentrações de sais de cálcio e magnésio, materiais em suspensão, ácidos orgânicos e coloides que inevitavelmente inibem a fermentação, reduzindo assim a produção de etanol.
A contaminação bacteriana interfere negativamente na produção e na qualidade, pois, além de consumir parte do substrato adicionado ao meio para produção de etanol, as bactérias também produzem metabólitos tóxicos que inibem as leveduras, favorece a floculação ocasionando perdas de eficiência na fermentação, aumentando a quantidade de insumos utilizados e ocasionando em altos custos de produção.
e) Caldeiras
As altas concentrações de impurezas minerais são responsáveis pelo mau funcionamento dos superaquecedores de vapor, comprometendo a transferência de calor, ocasionam o entupimento de chinquenes, causando perda de eficiência, atrapalhando a combustão (relação de ar, meio de combustão e chama). Além de provocar o entupimento da
tubulação de pré ar, a redução de temperatura da água de entrada, o aumento da quantidade de bagaço queimado, o desgaste das paletas dos exaustores que possuem como função a retirada de gases.
4. Resultados e Discussões
A usina estudada realiza as análises de impurezas vegetais e minerais da cana-de açúcar. As amostras são coletadas de forma aleatória, quando os caminhões chegam carregados à usina. Neste artigo são apresentados os resultados da análise de cinco frentes, numeradas de 1, 9, 14, 20 e 90. As frentes 1, 20 e 90 são amostras de cana inteira, enquanto as 9 e 14 são amostras de cana picada. O Gráfico 1 apresenta as comparações entre os valores PBU, Brix e Pol para o pagamento de cana e a cana limpa para análise de impureza vegetal.
A seguir, têm-se as definições: PBU: peso do bolo úmido;
Brix: porcentagem em massa de sólidos solúveis contida em uma solução quimicamente pura;
Pol: porcentagem em massa de sacarose aparente contida no caldo em uma solução açucarada de peso normal.
Gráfico 2. Comparativo entre os valores de PBU, Brix e Pol. Fonte: Usina estudada (2014) (cont.).
A cana-de-açúcar limpa apresenta valores menores para PBU, enquanto o Brix e Pol são mais elevados. A seguir tem-se as discussões sobre as amostras analisadas:
Frente 1: o PBU reduziu de 168,45 para 159,67. Após a limpeza, o Brix aumentou de 17,8 para 18,12 e a Pol também aumentou de 59,23 para 66,51; Frente 9: o PBU reduziu de 142,56 para 140,99. Após a limpeza, o Brix
aumentou de 18,10 para 18,78 e a Pol também aumentou de 66,70 para 66,93; Frente 14: o PBU reduziu de 183,80 para 170,13. Após a limpeza, o Brix
aumentou de 21,73 para 22,67 e a Pol também aumentou de 81,84 para 82,99; Frente 20: o PBU reduziu de 171,60 para 169,32. O Brix oscilou de 22,05 para
21,03 e a Pol de 82,78 para 81,11;
Frente 90: o PBU reduziu de 267,23 para 259,17. O Brix oscilou de 21,27 para 21,00 e a Pol de 77,17 para 76,99.
Nas frentes 20 e 90, após a limpeza, houve uma redução do Brix e da Pol, contrariando a teoria.
Baseado PAES (2014), a Tabela 1 apresenta os percentuais máximos aceitáveis de impurezas vegetais e minerais.
Tabela 1. Classificação das impurezas vegetais e minerais.
Classificação Percentagens – impurezas vegetais Percentagens – impurezas minerais Baixa < 3,5 % < 0,7 % Média 3,5% a 6% 0,7 a 1,2 % Alta > 6% > 1,2 % Fonte: PAES (2014).
A análise do percentual das impurezas vegetais está descrita no Gráfico 3. Os valores encontrados apontam que a frente 1 apresentou baixo percentual de impureza vegetal. As frentes 9 e 14 estão no percentual médio. As frentes 20 e 90 apresentam
percentuais altos de impurezas vegetais já contribuindo para mau andamento da indústria.
Gráfico 3. Percentagens de impurezas vegetais. Fonte: Usina estudada (2014).
A análise do percentual das impurezas minerais está descrita no Gráfico 4. As frentes 1, 14, 20 possuem alto índice de impureza, ou seja, valores bem discrepantes ao comparado com índices citados por PAES (2014). A frente 90, caracteriza-se com médio percentual, em contrapartida, a frente 9, possui baixo índice desta impureza.
Gráfico 4. Percentagens de impurezas minerais. Fonte: Usina estudada (2014).
Gráfico 4: Comparação entre as percentagens de impurezas vegetais e minerais. Fonte: Usina estudada (2014).
Posteriormente, tem-se uma análise as impurezas vegetais e minerais presentes na cana-de-açúcar:
Frente 1: possui baixo percentual de impureza vegetal, no entanto possui altíssimo percentual de impureza mineral.
Frente 9: possui médio percentual impureza vegetal e baixo percentual de impureza mineral, classificando esta frente como boa para extração.
Frente 14: tem médio percentual de impureza vegetal, também altíssimo percentual de impureza mineral.
Frente 20: destaca-se por altos índices tanto de impureza vegetal como mineral, necessita de acompanhamento para diminuir estes índices e assim melhorar a extração.
Frente 90: possui alto percentual de impureza vegetal e médio percentual de impureza mineral.
Com base nos resultados encontrados, as frentes possuem maior percentual de impurezas minerais do que vegetais, desta forma, a impureza mineral está contribuindo com maior índice de perdas na indústria. Esta impureza é considerada mais danosa ao processo industrial. Uma unidade média que moendo 2 milhões de toneladas por safra, com impurezas minerais da ordem de 20kg/ton de cana, ao final da temporada terá acumulado o equivalente a 40 mil toneladas de terra (ALCOOLBRAS, 2015).
5. Conclusão
O objetivo inicial deste artigo era realizar um estudo do percentual de impurezas vegetais e minerais presentes na cana-de-açúcar recebida da área agrícola por uma usina. De acordo com os resultados apresentados, pode-se concluir que este objetivo foi atingido.
As análises das cinco frentes de cana-de-açúcar mostraram que a percentagem das impurezas minerais é maior que a das vegetais. As impurezas ocasionam em um desgaste prematuro dos equipamentos e em perdas no processo.
Uma solução para amenizar a quantidade de impurezas é aumentar a interação entre as áreas agrícolas e industrial. A indústria quantifica as impurezas, informa a área agrícola e trabalhando em conjunto, estas áreas podem adotar ações para minimizar a quantidade de impurezas.
6. Referências
CONSECANA. Disponível em: <http://www.orplana.com.br/manual_2006.pdf>. Acesso em: 04 Mar 2015.
CUDDIHY, J. A.; PORRO, M. E. RAUH, J. S. (2001). The presence of total
polysaccharides in sugar production and methods for reducing their negative effects. Journal American Society of Sugarcane Techologists, Bundaberg, v. 21, p. 73-91.
GRUPO FARIAS. Fluxograma esquemático para fabricação de produtos derivados da cana-de-açúcar. Disponível em:
<http://www.grupofarias.com.br/grupofarias/fluxograma_industrial.htm> Acesso em: 10 Mai 2015.
LOPES, C. H. (2011). Tecnologia de produção de açúcar de cana. São Carlos, EdUFSCAR.
NETO, A. E.; SHINTAKU, A.; DONZELLI, J. L. (2009). Industrialização da cana-de-açúcar. In: Manual de conservação e reuso de água na agroindústria sucroenergática. Agência Nacional de Águas; Federação das Indústrias do Estado de São Paulo; União da Indústria da Cana-de-Açúcar; Centro de Tecnologia Canavieira. Brasília. p. 60 – 63.
PAES, L. A. D. (2014). Impurezas e qualidade da cana-de-açúcar: Levantamento dos níveis de impurezas nas últimas safras. Centro de Tecnologia Canavieira.
Disponível em:
<http://www.stab.org.br/palestra_ws_limpeza_da_cana/JAIME_FINGUERUT.pdf>. Acesso em: 16 Mai 2015.
REVISTA ALCOOBRAS. Cana Limpa. Disponível em:
<http://www.revistaalcoolbras.com.br/edicoes/ed_99/ed_99.html>. Acesso em: 15 Mai 2015.
