Relatório de Estágio - LIRA, A. B.

UNIVERSIDADE FERDERAL DE ALAGOAS

PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO

CENTRO DE TECNOLOGIA

ENGENHARIA QUÍMICA

ARTHUR BARBOSA DE LIRA

Processo de Produção de Açúcar e Etanol da

Usina Santa Clotilde S/A

Maceió-AL

2016

ARTHUR BARBOSA DE LIRA

Relatório de Estágio curricular em

Engenharia Química


Relatório de estágio submetido ao corpo

docente do curso de Engenharia Química,

do Centro de Tecnologia da Universidade

Federal de Alagoas, como parte dos

requisitos necessários para a obtenção do

grau de Engenheiro Químico.

Orientador: Prof. Dr. João Nunes de Vasconcelos

Maceió - AL

2016

Processo de Produção de Açúcar e Etanol da


Aprovado em: Maceió, ______ de _______________ de 2016

Banca examinadora

_________________________________________________________

Prof. Dr. João Nunes de Vasconcelos - Orientador

Universidade Federal de Alagoas

_________________________________________________________

Prof. Dr. Jorge José de Brito Silva


_________________________________________________________

Prof. Dr. José Edmundo Accioly de Souza


UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS

PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO

Relatório de Estágio curricular em

Engenharia Química

Dados do Estagiário

Nome: Arthur Barbosa de Lira

Registro Acadêmico: 10110101

Curso e Período: Engenharia Química - 10º Período

Dados do Local de Estágio

Empresa: Usina Santa Clotilde S/A

Supervisor: David Antônio da Silva

CNPJ:12.607.842/0001-95

Período de Estágio

Início: 14/03/2016 Término: 10/06/2016

Jornadas de trabalho: 30 horas semanais.

Total de horas: 360 horas em três meses

Maceió - AL

2016

5

RESUMO

Esse relatório é referente ao estágio curricular obrigatório desenvolvido na

Usina Santa Clotilde S/A, localizada em Rio Largo – AL, no período de março a

junho de 2016. Durante o período de atividades, foi possível observar na

prática, a riqueza de operações e atividades que uma usina sucroenergética

oferece. Além disso, a maior parte do estágio se desenvolveu no período de

entressafra, oportunidade de conhecer de forma mais íntima os equipamentos,

como é feita a manutenção e vários aspectos ligados ao planejamento de

funcionamento da fábrica.

6

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Usina Santa Clotilde ....................................................................... ..10

Figura 2 – Fuxograma da produção de açúcar e etanol....................................12

Figura 3 - Tombador tipo Hilo............................................................................13

Figura 4 – Passagem da mesa para a esteira...................................................14

Figura 5 – Picotador na esteira demontado para manutenção..........................15

Figura 6 – Ternos de moenda............................................................................16

Figura 7 – Tanques de recolhimento de caldo da usina Santa Clotilde.............17

Figura 8 – Interior da peneira rotativa................................................................17

Figura 9 – Trocadores de calor casca e tubo, balão flash e tanque de

decantação........................................................................................................19

Figura 10 – Peneiras fixas para o caldo clarificado...........................................20

Figura 11 – Caixas de evaporação....................................................................21

Figura 12 – Conjunto de dornas de fermentação da Usina Santa Clotilde........26

Figura 13 – Dornas de Fermentação e trocador de calor de placas..................27

Figura 14 – Centrífuga de vinho da Usina Santa Clotilde..................................28

Figura 15 – Colunas de destilação (esquerda) e retificação (direita) da Usina

Santa Clotilde.....................................................................................................30

Figura 16 – Colunas de recuperação (esquerda) e desidratação (direita)........31

Figura 17 – Terno de moenda desmontado para manutenção..........................34

Figura 18 – Treinamento de rapel da equipe de segurança..............................35

Figura 19 – Prato da coluna de destilação........................................................36

Figura 20 - Limpeza dos aquecedores na produção de açúcar.........................36

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO 08

2. OBJETIVOS 11

2.1 Objetivos Gerais 11

2.2 Objetivos Específicos 11

3. PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ETANOL 12

3.1 Extração do Caldo 12

3.1.1 – Recepção da matéria prima 13

3.1.2 – Moagem 14

3.1.3 – Peneiramento 17

3.2 Produção de Açúcar VHP 18

3.2.1 – Pré-tratamento 18

3.2.2 – Evaporação 20

3.2.3 – Cozimento 22

3.2.4 – Cristalização 24

3.2.5 – Centrifugação 24

3.2.5 – Secagem 24

3.2.6 – Expedição do açúcar 25

3.3 Produção de Etanol 25

3.3.1 – Preparo do mosto 25

3.3.2 – Fermentação 25

3.3.3 – Centrifugação 27

3.3.4 – Regeneração das leveduras 28

3.3.5 – Destilação 29

3.3.6 – Expedição do etanol 32

3.4 Período de Entressafra 33

4. ATIVIDADES DESENVOLVIDAS 37

5. CONCLUSÕES 38

6. REFERÊNCIAS 39

7. ANEXOS 40

8

1.INTRODUÇÃO

O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo, com cerca de

630 milhões de toneladas de cana processadas na safra de 2014/2015. Desse

total, 90% é proveniente das regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste e 10%

proveniente da região Norte-Nordeste. O Brasil também é o maior produtor e

exportador de açúcar, com 20% da produção e 40% da exportação total. Na

produção de etanol, entretanto, ocupa o segundo lugar, atrás dos EUA (UNICA

2015).

A cana-de-açúcar é a principal matéria prima para a produção de açúcar

no Brasil. De acordo com o tipo de processo ao qual é submetido, o açúcar

produzido tem características diferentes e pode ser classificado em várias

formas, segundo Mezaroba (2010):

Açúcar branco para exportação – açúcar sem refino, que pode ser

para consumo direto humano, com baixa cor, ou para reprocessamento,

que possui uma cor mais elevada;

Açúcar cristal – tem como características cristais grandes e

transparentes, difíceis de serem dissolvidos na água;

Açúcar demerara – não recebe aditivos químicos e por isso seus grãos

tem coloração marrom-claro e alto valor nutricional;

Açúcar mascavo – açúcar bruto, escuro e úmido. Não passa pelo

processo de cristalização ou refino e conserva cálcio, ferro e sais

minerais;

Açúcar refinado – açúcar que é dissolvido em água e recristalizado. O

açúcar desse tipo mais fino é chamdo açúcar de confeiteiro. O que

possui cristais bem definidos e granulometria homogênea é chamado

açúcar refinado granulado, e os grãos mais finos, mas maiores que o de

confeiteiro, é chamado açúcar refinado amorfo;

Açúcar VHP (Very High Polarization) – apresenta cristais amarelados

de cor menor que o açúcar demerara. É o tipo mais exportado pelo

Brasil;

Açúcar VVHP (Very Very High Polarization) – possui pol acima de

99,5°, e é um intermediário entre o açúcar bruto e o açúcar refinado.

9

Outros produtos da indústria sucroenergética no Brasil são o etanol

hidratado e anidro e a bioeletricidade. O etanol a partir da cana é um

combustível renovável, e sua utilização como combustível em automóveis

minimiza impactos ambientais. O consumo de etanol hidratado pelos

automóveis, somado com a mistura atual obrigatória de etanol na gasolina, de

27%, reduziu a emissão de GEE (gases de efeito estufa) em mais de 300

milhões de toneladas de CO2eq de março de 2003 a maio de 2015. (UNICA,

2015).

O etanol é produzido por fermentação, processo anaeróbio onde ocorre

a transformação de açúcares em etanol e CO2 por leveduras. Portanto,

qualquer produto que contenha açúcar contitui-se de matéria prima para o

etanol (SANTOS, 2008). Na indústria pode ser utilizado o caldo de cana, o mel

final, esgotado após a produção de açúcar ou qualquer intermediário, como

caldo clarificado, xarope mel rico ou mistura desses, devido a problemas no

processo de açúcar ou de acordo com a demanda do mercado por mais ou

menos etanol.

Por se tratar de um processo biológico, a fermentação deve atender a

necessidade da levedura, com relação a temperatura, pH, assepsia e presença

de nutrientes. Por isso, um controle ótimo de cada uma dessas variáveis deve

ser realizado para obter-se um produto final de qualidade (SANTOS, 2008).

A destlação é a etapa de separação do etanol após a fermentação, mas

devido à formação de um azeótropo na mistura etanol e água em torno de

96%, o método convencional de destilação não é capaz de obter graduações

mais altas. Para isso faz-se necessário o uso de artifícios como a utilização de

um componente de arraste. No caso da destilaria anexa à Santa Clotilde, o

componente utilizado é o ciclohexano. Com a adição do novo componente,

forma-se um novo azeótropo, ternário, com ponto de ebulição mais baixo que o

do etanol. Esse azeótropo é então retirado no topo da coluna (azeótropo de

mínimo).

A usina Santa Clotilde S.A. localiza-se em Rio Largo, na Fazenda Pau

Amarelo s/n. Foi fundada por Alfredo Oiticica, com origem na Cooperativa dos

Plantadores de Cana do Vale do Mundaú. As edificações do que hoje é a Usina

10

Santa Clotilde foram iniciadas em 1950, e sua primeira moagem se deu em

1952, embora a destilaria de álcool só tenha sido implementada na safra de

81/82.

Sua área industrial, Mostrada na Figura 1, é formada pelos setores de

produção de açúcar, destilaria e laboratório de análises e apresenta grande

área de plantio: 60% da cana moída é proveniente de suas próprias

plantações. A usina possui capacidade de moagem de aproximadamente 7 mil

toneladas de cana / dia e seus produtos são o açúcar VHP, álcool hidratado e

ácool anidro.

Figura 1 – Usina Santa Clotilde.

Fonte: Usina Santa Clotilde, 2016

11

2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo Geral

Vivenciar uma experiência de fábrica real, observando e pondo em

prática os conceitos teóricos aprendidos durante o curso de Engenharia

Química.

2.2 Objetivos específicos

Compreender e vivenciar o processo de produção de açúcar em uma

usina;

Compreender e vivenciar a fermentação e destilação para a

produção de etanol na usina;

Compreender e vivenciar as atividades no laboratório de análise da

usina;

Acompanhar as atividades realizadas no período da entressafra da

usina;

Observar aspectos da vivência de fábrica, como solução de

problemas e trabalho em equipe.

12

3 PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ETANOL

A produão de açucar e etanol começa com a recepção da matéria prima,

após o qua é feita a extração do caldo, que pode ser enviado para a produção

de açúcar ou etanol. O fluxograma geral da produção de açúcar e etanol está

representado na Figura 2.

Figura 2 – Fuxograma da produção de açúcar e etanol

Fonte: Elaborado pelo autor, 2016

13

3.1 Extração do Caldo

3.1.1 – Recepção da matéria prima

A matéria prima de toda a operação da usina é a cana-de-açúcar. Ela

chega à fábrica em caminhões articulados, que passam por uma balança assim

que entram na área industrial (após a descarga o caminhão passa novamente

por uma balança e assim determina-se a massa da cana adquirida pela

fábrica). Durante essa pesagem inicial, uma sonda lateral recolhe amostras da

carga dos caminhões. Essa amostra é enviada ao laboratório para análises de

quantidade de fibras, impurezas, Brix e Pol. É determinado então o PCTS

(Pagamento de Cana pelo Teor de Sacarose) de acordo com essas análises.

Após as análises e liberação do laboratório, a cana é tombada dos

caminhões diretamente na mesa de alimentação do processo por tombadores

do tipo Hilo (como mostra a Figura 3) ou armazenda em estoque.

Figura 3 – Tombador do tipo Hilo.

Fonte: Acervo do autor, 2016.

Esse estoque serve para suprir o processo quando não há caminhõe

suficientes. Entretanto, a cana não pode ser armazenada por longos períodos,

devido à sua degradação (perda de sacarose por inversão e desenvolvimento

14

de microrganismos). A mesa de alimentação é do tipo mista, contendo uma

parte com inclinação de 30° e outra com inclinação de 45°. Essa inclinação é

feita para reduzir a espessura do colchão de cana e aumentar a eficiência do

processo de lavagem.

3.1.2 – Moagem

A cana chega à usina diretamente do campo e possui uma quantidade

de matéria estranha que pode chegar a 20% em dias chuvosos. Essa matéria

estranha é tudo o que não seja água, material solúvel ou fibra, como palha e

terra arenosa. Esse tipo de material pode causar grandes problemas na fábrica,

que vão desde dano físico aos equipamentos à redução de eficiência direta das

etapas (MEDEIROS, 2011). A cana, portanto, é lavada com água na mesa

alimentadora, e após é derrubada numa esteira metálica para realizar a sua

preparação. A Figura 4 ilustra a passagem da cana da mesa para a esteira.

Figura 4 – Passagem da mesa para a esteira.


O objetivo da preparação da cana é romper as células vegetais,

melhorando a extração mecânica nas moendas. Esse rompimento é realizado

por um conjunto de facas e martelos rotativos, que picotam e quebram as fibras

ao longo de uma esteira. A Figura 5 mostra um pedaço interno da esteira de

preparação.

15

Figura 5 – Picotador na esteira, desmontado, para manutenção.


O índice de preparo, ou seja, o valor de pol relativo das células rompidas

da cana, deve ser em torno de 90% a 95%. O desgaste físico dos martelos faz

com que esse índice vá reduzindo ao longo do tempo. Na Usina Santa Clotilde,

a manutenção é realizada a cada quinze dias nesses equipamentos. Na última

etapa dessa preparação, a cana picotada e desfibrada é transferida a uma

esteira de borracha, onde passa por um eletroímã, que retira resíduos de

materiais metálicos que possam porventura estar presentes.

A cana então é transferida da esteira para os ternos de moenda. A Usina

Santa Clotilde possui um sistema com 5 conjuntos de quatro rolos cada para a

compressão, denominados de ternos de moenda (Figura 6). O primeiro terno é

o responsável pela maior parte da extração, obtendo valores em torno de 70%

de todo o caldo contido na cana. Os ternos seguintes maximizam a extração,

utilizando o sistema de embebição composta, onde o bagaço no último terno é

embebido com água, e o caldo resultante é enviado para embebição do terno

anterior, progressivamente, com exceção do primeiro terno, que não recebe

embebição.

16

Figura 6 – Terno de moenda.


Embaixo de cada conjunto de ternos, calhas recolhem o caldo extraído e

os enviam para um dos quatro tanques presentes. O último tanque recebe o

caldo residual proveniente da prensa no quinto terno, que é enviado por uma

bomba para o quarto terno. Outro tanque recebe o caldo extraído na quarta

prensa, que analogamente é bombeado para o terceiro terno. O próximo

tanque recebe o caldo extraído da terceira prensa, que embebe o segundo

terno e o maior tanque, o tanque de caldo misto, que recebe os caldos da

extração da primeira prensa, da segunda prensa e o que transborda dos outros

três tanques, como mostra a Figura 7.

17

Figura 7 – Tanques de recolhimento de caldo da usina Santa Clotilde.


Após a extração, o bagaço é enviado por outra esteira para a

alimentação das fornalhas das caldeiras, que fornecem vapor para o

funcionamento de toda a usina.

3.1.3 – Peneiramento

Logo após a extração nas moendas, o caldo misto é bombeado a uma

peneira rotativa (Figura 8) para eliminar restos de bagaço e outros materiais

sólidos que porventura tenha passado pelo processo até esta etapa.

Figura 8 – Interior da peneira rotativa.


18

A partir do peneiramento, o caldo pode ser enviado para a fabricação de

açúcar ou para a produção de etanol. O destino do caldo depende da

capacidade de produção da usina ou da exigência do mercado por um ou outro

produto.

3.2 Produção de Açúcar VHP

3.2.1 Pré tratamento

A etapa de pré-tratamento envolve um pré-aquecimento, a caleação,

aquecimento, e decantação. Esse tratamento visa a retirada de impurezas que

possam atrapalhar a recuperação de açúcar, além de regular o aparecimento

da cor nos grãos finais e eliminar microrganismos.

Pré-aquecimento – O caldo segue para a etapa de pré-aquecimento, elevando

sua temperatura até cerca de 70°. Os benefícios do pré aquecimento são o

aumento das reações de caleação, etapa seguinte, além de diminuir a

viscosidade, eliminando alguns microrganismos e remover gases (PAYNE

1989)

Caleação – O caldo recebe cal hidratada no tanque de caleação. Ao ser

aquecido, o caldo já apresenta precipitação de proteínas causadoras de cor,

mas a adição dessa cal incremeta ainda mais o tratamento de várias formas: a

cal precipita outras substâncias indesejadas, neutraliza ácidos orgânicos,

aumenta o pH do caldo até 6,5 a 7,0, impedindo a progressão da inversão da

sacarose. Em outras palavras, fornece um tratamento satisfatório para a

produção de açúcar VHP com baixo custo.

Aquecimento – Depois da caleagem, o caldo é aquecido a 105°C em

trocadores de calor de casco e tubo, com vapor vegetal proveniente do

processo de evaporação. Esse aquecimento tem como função diminuir ainda

mais a viscosidade do caldo, aumentando a velocidade de decantação dos

flocos formados. A atenção à limpeza nos trocadores de calor nessa etapa é

19

alta, visto que a presença de partículas coaguladas causa grande incrustração

nos tubos dos mesmos.

Decantação – O caldo aquecido passa então por um balão flash, onde são

separadas as bolhas de gás, formadas pela diminuição da solubilidade das

mesmas, e onde é adicionado um polímero como floculante. O balão flash fica

logo acima dos tanques de decantação (Figura 9), para onde o caldo flui de

forma contínua.

Figura 9 – Trocadores de calor casco e tubo, balão flash e tanque de decantação.


A usina trabalha com dois decantadores, operados de forma contínua,

com tempo de retenção de duas horas e meia a três horas. O lodo é retirado no

fundo dos decantadores e enviado para um filtro prensa, onde é recuperado

parte do caldo retido nos resíduos sólido, e enviado para o tanque de caldo

misto, retornando ao processo. Para essa filtração, mistura-se bagacilho ao

lodo, visto que sua consistência na saída do decantador é problemática. Já a

torta, resíduo sólido da filtração, é enviada para as lavouras e utilizada como

fertilizante.

O caldo clarificado, retirado na parte superior do tanque por meio de

calhas, passa ainda por peneiras, que retém as partículas sólidas não

decantadas (Figura 10).

20

Figura 10 – Peneiras fixas para o caldo clarificado.


O caldo finalmente tratado é enviado para a produção dos cristais de açúcar.

3.2.2 – Evaporação

A evaporação é a etapa em que a maior parte da água é retirada. Na

evaporação em múltiplos efeitos, o vapor gerado em cada caixa é utilizado para

a evaporação na caixa seguinte. Então, é utilizado um vácuo na última caixa,

que reduz a pressão em cada efeito anterior, para que a temperatura, que se

torna progressivamente menor, seja capaz de evaporar mais solvente. Em

geral, admite-se que uma unidade de vapor evapora tantas unidades de

solvente quanto for o número de efeitos, no que é chamado princípio de Rillieux

(PAYNE, 1989). Na usina Santa Clotilde são utilizados dois conjuntos de

evaporadores em série, um com três e outro com quatro efeitos.

É possível nesse processo concentrar o caldo para valores até 75 °Brix,

embora para o início do processo de cozimento seja interessante que o

material tenha um pouco mais de água para ser capaz de dissolver falsos

cristais de açúcar. Sendo assim, geralmente o caldo é concentrado a um Brix

de 60 a 65 g/100g, sendo chamado então de xarope, depois do processo de

concentração. A Figura 11 mostra as caixas de evaporação pelo lado externo.

21

Figura 11 – Caixas de evaporação.


A operação das caixas de evaporação necessita de cuidados e atenção

em alguns detalhes. O vapor que alimenta a primeira caixa é vapor servido, ou

seja, o vapor saturado já passado pelas turbinas de geração de energia, com

pressão de 1,5 kgf/cm². Não é utilizado vapor superaquecido pois, embora sua

temperatura seja maior, o calor latente, resultado da mudança de fase, é muito

maior que o chamado calor sensível, e assim a eficiência da utilização do

mesmo é maior. O condensado nas caixas de evaporação deve ser retirado,

pois seu acúmulo pode reduzir a área de troca térmica, reduzindo a eficiência

das caixas. A água retirada dos segundo e terceiro efeitos, em geral, não é

utilizada na geração de vapor na caldeira, por possuir compostos orgânicos

voláteis presentes no caldo do efeito anterior. De todo modo, análises de

condutividade e presença de açúcar são realizadas diariamente para verificar a

qualidade desses condensados. Gases incondensáveis (como ar) podem entrar

no sistema ou serem gerados. Seu acúmulo causa o chamado

“embuchamento” das caixas e, portanto, sua remoção se faz necessária. Além

disso, o aumento da concentração do caldo provoca precipitação de materiais

que antes estavam solúveis, como o cálcio adicionado na caleagem. A

progressiva incrustração dos tubos faz com que os evaporadores diminuam a

eficiência ao longo do tempo e necessitem ser limpos. Essa limpeza ocorre a

cada quinze dias na Usina Santa Clotilde.

22

3.2.3 – Cozimento

Embora sejam semelhantes estruturalmente e em seu objetivo,

evaporadores e cozedores possuem diferenças, devido ao material que é

trabalhado em cada um. Nos cozedores é feita uma utilização maior de vácuos

e a operação é feita manualmente em bateladas, devido à alta viscosidade do

material, com Brix elevado, chamado “massa cozida” (HUGOT 1969, ALLES,

2013) e com efeito simples.

É nos cozedores onde ocorre a supersaturação do xarope. Essa

supersaturação pode ser divida em três fases, ou zonas: Zona Metaestável,

Zona intermediária e Zona Lábil.

Na zona metaestável, não ocorre formação de novos cristais. Há apenas

o crescimento dos cristais já existentes.

Na zona Intermediária, há a formação de cristais novos, mas apenas se

já existem cristais no sistema, além do crescimento dos mesmos.

Na zona lábil, há a geração espontânea de cristais novos, independente

da prévia existência de cristais ou não, além do crescimento desses.

A usina Santa Clotilde trabalha a produção de açúcar com semeadura

de grãos em xarope na zona metaestável. Com isso, obtém-se um bom

controle dos grãos, já que as sementes são preparadas previamente em

ambiente que pode ser melhor controlado. O controle da supersaturação é

então importante para a qualidade do produto, visto que se a massa cozida

chegar às zonas intermediária ou lábil, há formação de novos cristais, que

acarretam alguns problemas: O primeiro é a diminuição da qualidade do

produto, pela não homogeneidade dos grãos. Depois, o aumento na

quantidade de grãos resulta na diminuição do tamanho dos mesmos, o que

pode complicar o processo de recuperação na centrífuga, entupindo os orifícios

para a separação. E mesmo que os grãos não sejam exatamente muito

pequenos, a heterogeneidade faz com que os grãos pequenos se arranjem

23

entre os grãos maiores, formando blocos incrivelmente difíceis de se separar

na centrífuga. Tais complicações podem comprometer os equipamentos ou

atrapalhar o processo de produção por horas.

O cozimento é realizado num processo com 3 massas, A, B e C. Nesse

processo, o xarope é cozido, se tornando a massa cozida A, que é semeado e

cristalizado, sendo separado no produto, o açúcar VHP, e o mel A, também

chamado mel de primeira ou mel rico, com um °Brix em torno de 80. Esse mel

segue então para o tacho ou vácuo de cozimento B, que analogamente é

separado no chamado magma B (cristais de açúcar com traços de mel) e o mel

B, também chamado de mel de segunda, com °Brix em torno de 70. O mel B é

então enviado ao tacho de cozimento C, que, após o processo, é separado em

magma C e mel C, com °Brix em torno de 60, também chamado de mel de

terceira ou mel final, pois não se consegue mais recuperar nenhum açúcar a

partir daí.

A semeadura dos cristais é feita em sentido oposto. A semente para o

cozimento C é preparada a partir de açúcar pronto, quebrado em um moinho

de bolas, da forma mais homogênea possível em solução com álcool anidro. O

açúcar esgotado então, magma C, serve de semente para o cozimento B, e o

magma B serve de semente para o cozimento A.

Entretanto, a etapa de cozimento, por ser feita de forma manual na

Santa Clotilde, admite muita flexibilidade, tornando-se a operação mais

complexa e mais variada. Sendo o magma C bem formado, pode ser utilizado

como semente do cozimento A, e o açúcar B redissolvido como xarope e

reenviado para o cozimento A. Dependendo das características do xarope ou

mel que entra em cada cozimento, o operador pode adicionar, por exemplo,

mel pobre ao cozimento A, da mesma forma que pode adicionar mel rico ao

cozimento C, ou adicionar do próprio xarope onde julgar necessário. É o

operador também que decide quando a massa cozida está no ponto de

supersaturação correto para ser adicionada a semente. Essa decisão é feita ao

toque da massa cozida que, quando manipulada entre os dedos, forma um fio

de até uma polegada quando no ponto correto. É do operador também a

24

decisão de quando terminar o cozimento, ao aparecimento de cristais visíveis

na massa, cortar do cozedor para as sementeiras e repetir o processo ou

quando matar o cozimento utilizando água quente.

3.2.4 – Cristalização

A massa cozida é então enviada aos cristalizadores. Os cristalizadores,

metálicos e em forma de U, mantém a massa em movimento e resfriando

gradativamente, complementando desse modo a formação dos cristais de

açúcar.

3.2.5 – Centrifugação

. As centrífugas são cilindros furados que, rotacionados com a massa

cozida em seu interior, fazem escorrer o mel, retendo os cristais de açúcar. A

usina possui 13 centrífugas, sendo sete delas em batelada e 5 delas contínuas.

O açúcar VHP, produto desejado, é separado nas turbinas em batelada, visto

que as centrífugas contínuas tendem a quebrar os cristais formados, sendo

então reservadas à separação das massas B e C.

3.2.6 – Secagem

Após centrifugado, o açúcar é levado por uma esteira vibratória até o

secador/resfriador de tambor rotativo. Na parte interna deste equipamento,

existem aletas em espirais, que distribuem e elevam o açúcar, enquanto o

tambor roda, despejando-o cada vez mais em direção à descarga. O ar passa

axialmente pela cortina de açúcar em queda, permitindo então a troca térmica

(REIN, 2013).

25

3.2.7 – Expedição do açúcar

O açúcar VHP é então armazenado em silos, de onde é retirado por

caminhões e enviado ao porto, onde a EMPAT, Empresa Alagoana de

Terminais, fiscaliza a qualidade do produto final com análises e o encaminha

para exportação em navios.

3.3 Produção de Etanol

A produção de etanol hidratado e anidro tem como etapas o preparo do

mosto, a fermentação, a centrifugação do vinho, regeneração das leveduras e

a destilação, com a expedição do produto realizado pela usina.

3.3.1 – Preparo do mosto

O mosto, mistura açucarada que irá sofrer a fermentação, pode ser

preparado de várias formas. A principal é a diluição do mel final até o Brix

desejado (trabalhado na usina em torno de 18 °Brix), tirando-se assim o

máximo proveito de todo o açúcar que não pôde ser extraído na forma de

cristais.

Caso haja qualquer problema na produção de açúcar, o mosto pode ser

preparado a partir de qualquer intermediário da produção de açúcar, como

caldo misto, primário, caldo decantado, o caldo recuperado do lodo, xarope e

méis. A água utilizada no preparo do mosto tem grande importância na

qualidade da fermentação, sendo utilizada assim uma água mineral de fonte

natural.

3.3.2 – Fermentação

A fermentação é conduzida em tanques denominados dornas. A Usina

Santa Clotilde possui 9 dornas, com volume de 200 m³ cada, sendo o volume

útil 180 m³, sendo 7 utilizadas para fermentação, uma reserva e uma utilizada

26

como dorna volante. Uma dorna menor, de 100m³, chamada dorna pulmão,

recebe o vinho após o final do processo em cada dorna (Figura 12). Há

também 3 pequenos tanques de 60m³, com volume útil de 50m³, que são os

pré-fermentadores, que recebem o fermento ao fim de cada processo de

centrifugação, para tratamento e reutilização em novo ciclo de fermentação. As

dornas utilizadas são abertas, o que ocasiona uma perda e álcool por

evaporação e arraste de 1% a 2%.

Figura 12 – Conjunto de dornas de fermentação da Usina Santa Clotilde.


A operação é realizada em batelada, e o processo de fermentação dura

de 6 a 8 horas. São alimentadas com o mosto e fermento, simultaneamente,

num processo que dura em torno de 3 horas. Após isso, o Brix nas dornas é

medido de hora em hora e ao apresentar valor constante por duas medidas

consecutivas é finalizado o processo.

O desprendimento de gás carbônico proveniente da fermentação, aliado

a outros fatores como presença de material orgânico, microrganismos

contaminantes, viscosidade do meio, dentre outros, leva à formação de

espuma. Se não evitada, a espuma pode fazer a dorna transbordar, diminuindo

o volume útil da mesma. Por isso são usados anti-espumantes e dispersantes,

de forma intermitente, de acordo com o julgamento do operador. A espuma em

27

excesso é indício de problemas, e o operador experiente só pelo aspecto da

mesma consegue direcionar que tipo de desvio pode estar ocorrendo, ou até

mesmo dizer com precisão o problema a ser solucionado.

Por se tratar de um processo exotérmico, a temperatura das dornas

deve ser regulada. Isso é feito através de trocadores de calor de placas, nos

quais circula água em temperatura ambiente para manter a dorna na faixa

térmica ideal para o trabalho da levedura, que é em torno de 34°C, como

mostra a Figura 13. A temperatura também é medida conjuntamente com o Brix

durante toda a fermentação.

Figura 13 – Dornas de Fermentação e trocador de calor de placas.


Após o fim do processo, o mosto fermentado é bombeado para a dorna

pulmão, que deve estar sempre cheia pois, a partir desse ponto, o processo é

todo contínuo.

3.3.3 - Centrifugação

O mosto fermentado (vinho) é bombeado continuamente para as

centrífugas (Figura 14), a partir da dorna pulmão. Nas centrífugas, o vinho é

separado em duas fases: O vinho delevurado, fase mais leve, que é bombeado

28

à dorna volante, para alimentar a destilação, e o creme ou leite de leveduras,

fase pesada contendo as leveduras, que são enviadas aos pré-fermentadores

para tratamento e reutilização em novo ciclo de fermentação.

Figura 14 – Centrífuga de vinho da Usina Santa Clotilde.


A concentração de leveduras e material úmido, no creme ou leite de

leveduras resultante de centrifugação adequada, fica em torno de 70% em

volume. Isso é obtido alterando o diâmetro das boquilhas da centrífuga,

aumentando o mesmo para diminuir a concentração de leveduras, ou

diminuindo o diâmetro para aumentar a concentração.

3.3.4 – Regeneração das leveduras

O creme de leveduras retirado nas centrífugas é enviado aos pré-

fermentadores, onde é diluído com água. Nesses tanques, as leveduras são

tratadas com ácido sulfúrico, até pH de cerca de 3, que tornam o meio

impróprio para bactérias contaminantes e desfazendo flocos formados com as

leveduras, e recebem nutrientes, tornando-as aptas à reutilização. Os 3 pré-

fermentadores contém o fermento necessário para manter as 7 dornas

funcionando. No início da operação da usina, na primeira fermentação

realizada, o fermento é multiplicado a partir de uma cultura selecionada em

laboratório e a partir de então é sempre recirculada ao processo. Caso haja

29

uma contaminação e total inviabilização do fermento utilizado, uma nova

cultura pode ser obtida, a partir da levedura selecionada.

3.2.4 – Destilação

A destilação é a etapa final da produção de etanol, onde são obtidos o

etanol hidratado e o etanol anidro, e para isso é utilizado um sistema com 4

colunas, denominadas: destilação, retificação, desidratação e recuperação.

A coluna de destilação é subdividida em três partes: colunas A, A1 e D.

Cada uma dessas divisões possui diâmetro e número de bandejas diferentes.

Antes de entrar no topo das colunas A e A1, o vinho passa por um pré

aquecimento, reduzindo assim a carga térmica necessária dentro da coluna. Na

base da coluna A, é retirada a vinhaça, e é onde vapor servido é injetado

diretamente na mesma através de uma tubulação com pequenos furos,

gerando os vapores para o funcionamento da coluna. No topo da coluna A, é

retirada a flegma, com graduação em torno de 45°GL, que é injetada na base

da coluna de retificação.

Na coluna A1, ocorre a retirada de compostos mais leves, como ésteres

e aldeídos. Os vapores gerados nessa coluna são enviados por uma tubulação

externa, com controle de válvula, para a coluna D, onde ocorre a concentração

do etanol. Após passar por dois condensadores, o etanol concentrado a

aproximadamente 92°GL, chamado álcool de segunda, é parcialmente

recirculado na coluna e parte reenviado à dorna volante para redestilação.

A coluna de retificação, onde é formado finalmente o etanol hidratado, é

subdividida em duas colunas, B e B1. Essas colunas não recebem calor por

vapor, sendo a flegma retirada da coluna de destilação a fonte de todo o calor

utilizado para a operação das mesmas. Por isso um controle da temperatura

pode ser feito através da retirada de etanol no final da coluna. Quanto maior a

saída do etanol hidratado, maior a temperatura do conjunto. Na base dessas

colunas é acumulada a flegmaça, que é nada mais que água ácida com baixa

graduação alcoólica. Essa flegmaça é bombeada de volta à coluna de

30

destilação e entra junto com o vinho no topo das colunas A e A1. As colunas de

destilação e retificação estão ilustradas na Figura 15.

Figura 15 – Colunas de destilação (esquerda) e retificação (direita) da Usina Santa Clotilde.


Nessa coluna também é retirado o chamado óleo fúsel em vários pontos.

O óleo fúsel é formado em sua maioria por álcoois isoamílico e isobutílico

(FERREIRA, 2013). Esses álcoois possuem baixo valor comercial e são

vendidos para a indústria de cosméticos. Se não retirado, esse óleo acumulado

altera a pressão na coluna, comprometendo seu funcionamento e a qualidade

do etanol hidratado. Quando retirado, o óleo é lavado com água, para

recuperar parte do etanol ainda misturado ao mesmo. Essa água é misturada

junto ao álcool de segunda, e reenviada à dorna volante.

A coluna B conta também com dois condensadores, onde é utilizada

água para resfriamento dos vapores e eliminação de impurezas voláteis, além

de um terceiro trocador de calor logo na saída da coluna, usado para fazer o

pré-aquecimento do vinho que vem da dorna volante, com os vapores quentes

31

que saem da coluna. O etanol hidratado é retirado no topo da coluna B. Este

pode então ser comercializado, ou então enviado à coluna de desidratação

(coluna C) para obtenção do álcool anidro.

Devido à formação de um azeótropo na mistura etanol e água em torno

de 96%, o método convencional de destilação não é capaz de obter

graduações mais altas. Para isso faz-se necessário o uso de artifícios como a

utilização de um componente de arraste, normalmente o benzeno. Entretanto,

devido ao benzeno ser carcinogênico, este componente vem sendo substituído

por outros menos tóxicos (GOMIS, V., 2007). No caso da Santa Clotilde, utiliza-

se o ciclohexano. Com a adição do novo componente, forma-se um novo

azeótropo, ternário, com ponto de ebulição mais baixo que o etanol. Esse

azeótropo é então retirado no topo da coluna (azeótropo de mínimo), enquanto

o etanol é obtido em sua forma anidra na base da coluna, com 99,9 INPM.

(%p/p). A Figura 16 mostra as colunas de desidratação e recuperação.

Figura 16 – Colunas de recuperação (esquerda) e desidratação (direita)


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A coluna C é aquecida com vapor servido, mas diferentemente da

coluna de destilação, o aquecimento não é direto, mas feito em um trocador

casco e tubo, com vapor passando pelo lado externo dos tubos. Essa coluna é

servida de dois condensadores, semelhantes aos das colunas anteriores. No

topo da coluna C sai o novo azeótropo, ternário, que é enviado à coluna P, ou

coluna de recuperação.

A base da coluna de recuperação recebe vapor servido em aquecimento

direto. Essa nova adição quebra o azeótropo, que agora é separado ao longo

da coluna. Os vapores no topo são basicamente ciclohexano, que é

condensado e parte reciclado à coluna P e parte enviado para reutilização no

topo da coluna C. A base é praticamente uma mistura binária de etanol e água,

que é reenviado à coluna B1 para recuperação do etanol.

3.3.4 – Expedição do etanol

Após a saída da coluna B, se o etanol hidratado for comercializado e não

enviado para a produção de etanol anidro, ele é resfriado e enviado a um

tanque intermediário. O etanol hidratado é então analisado pelo laboratório e

verificado se está dentro das especificações de 92,5 a 94,6 INPM (ANP, 2015).

Caso não esteja, podem ser tomadas algumas medidas: adição de etanol

anidro para aumento da graduação, diluição com água para diminuir a

graduação, adição de neutralizante de álcool para correção do pH. O etanol é

então enviado aos tanques de armazenamento. A Santa Clotilde possui dois

tanques de armazenamento de etanol hidratado, com capacidade de 2.500 m³

cada. O etanol anidro também é analisado e deve estar dentro da

especificação, de 99,3 INPM. Para o armazenamento deste, a usina conta com

3 tanques de capacidade 3.000.000 L cada. Os dois tipos de etanol são

armazenados com graduação acima do mínimo especificado, porque ocorre

diminuição da graduação por evaporação no armazenamento. Todo dia são

realizadas medições dos níveis dos tanques e graduação do etanol

armazenado. O etanol é vendido em caminhões tanque, e cada saída é

analisada novamente no laboratório, garantindo a qualidade do produto que sai

da fábrica.

33

3.4 Período de entressafra

O período de entressafra é de extrema importância na vida da usina,

embora não haja produção. Mesmo com paradas programadas a cada quinze

dias, na usina Santa Clotilde, para limpeza e manutenção de equipamentos

como as caixas de evaporação, moendas e desfibriladores e alguns trocadores

de calor, é nesse período maior sem produção onde a manutenção em peso é

realizada. Todos os equipamentos são limpos. Equipamentos como bombas

tem suas partes móveis desmontadas e inspecionadas, as válvulas

automáticas são também inspecionadas e recalibradas, os diâmetros das

tubulações são verificados, e partes e peças com defeito são revigorados ou

trocados, a depender da necessidade. A usina possui uma oficina para realizar

reparos.

Por se tratar de uma verificação exaustiva, detalhes podem passar

despercebidos, por isso antes mesmo do início do período é importante ter

registros de defeitos em equipamentos, vazamento em tubulações e qualquer

ocorrência fora da normalidade, que possa direcionar e agilizar a identificação

e o trabalho de manutenção (SIFAEG, 2016). Qualquer falha nesse processo

pode acarretar sérios problemas na produção durante a próxima safra. A Figura

17 mostra um terno de moenda, desmontado parta manutenção.

34

Figura 17 – Terno de moenda desmontado para manutenção.


Esse período é marcado pela necessidade de atenção especial com a

segurança. Peças estão sempre em movimento, equipamentos desmontados,

partes perigosas expostas e, às vezes, não sinalizadas. Água de lavagem

caindo de lugares incomuns e limpeza em espaços confinados são alguns dos

perigos constantes aos transeuntes da área industrial. A falta do calor do

processo e a corriqueira correria da produção podem induzir a uma falsa

sensação de segurança. No entanto, a atenção deve ser redobrada.

A equipe de segurança da fábrica trabalha realizando treinamentos,

como de rapel para salvamento em alturas, como representado na Figura 18.

35

Figura 18 – Treinamento de rapel da equipe de segurança.


Do ponto de vista da aprendizagem, o período de entressafra é o

momento perfeito para o conhecimento dos equipamentos em si. Estando

todos desmontados é possível observar seus detalhes internos e entender

melhor o seu funcionamento, como os pratos da coluna de destilação,

mostrados na Figura 19 e como são dispostos os tubos nos trocadores de calor

(Figura 20).

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Figura 19 – Prato da coluna de destilação.


Figura 20 - Limpeza dos aquecedores na produção de açúcar.


37

4. ATIVIDADES DESENVOLVIDAS

Durante o estágio realizado na Usina Santa Clotilde, foram realizadas as

seguintes atividades:

Acompanhamento da extração do caldo, envolvendo recepção da cana-

de-açúcar, a lavagem, o preparo da cana, a moagem e o peneiramento;

Acompanhamento do processo de produção do açúcar VHP, com

entendimento do motivo do tratamento do caldo, a operação da

evaporação, cozimento e cristalização, secagem, armazenamento e

expedição do produto;

Acompanhamento do processo de produção do etanol hidratado e

anidro, rendendo aprendizado da operação das dornas de fermentação,

regeneração do fermento, o funcionamento das quatro colunas para

produção de etanol, armazenamento e expedição;

Ajuste do aparato para testes de complementação de nutrientes em

dornas piloto, onde foi montado todo o conjunto com válvulas, bombas,

trocadores de calor de placas, planejamento da operação do

equipamento piloto, com testes de vazão para simular a operação das

dornas de fermentação da própria usina;

Aprendizado de análises diversas realizadas no laboratório, como as

análises de PCTS, Brix, pol, AR, ART, condutividade, acidez, contagem

de microrganismos e preparo de reagentes;

Exploração da fábrica no período da entressafra, onde foi possível

observar a desmontagem dos equipamentos de toda a fábrica, observar

suas características e partes internas, acompanhar a limpeza e

manutenção dos mesmos.

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5. CONCLUSÕES

A produção de açúcar e etanol são operações complexas, atividades

realizadas pela usina. Sua condução correta se deve a um número enorme de

fatores a serem observados que podem complicar em cada estágio. O

acompanhamento desde a chegada da matéria prima até a expedição do

açúcar e do etanol deve ser então minucioso.

A indústria de cana de açúcar apresentou uma ótima experiência de

aprendizado por sua riqueza de operações e detalhes. Separações mecânicas,

extrações químicas, separações baseadas em equilíbrio, reações bioquímicas,

transferência de momento, transferência de calor, análises de laboratório, todas

estudadas em cinco anos de curso, se apresentam na prática, cada uma com

sua particularidade e ao mesmo tempo trabalhando em conjunto.

Planejamento e estratégias devem sempre ser prioridade e até mesmo

momentos em que não há produção nenhuma são importantes para o

funcionamento de uma indústria.

Pôde-se ter noção do risco real que os processos industriais envolvem, e

segurança deve sempre também ser observada.

Também foi observado a importância que uma indústria pode ter

economicamente e socialmente para uma região. Além de aspectos sociais,

pôde-se ver a importância de se levar em conta a responsabilidade ambiental.

O processo de aprendizagem tornou-se mais completo com a

observação na prática, não apenas do aspecto técnico, mas do modo de

condução, convivência e relações de trabalho, flexibilidade para tomada de

decisões e valorização de cada etapa para a construção de um grande

objetivo.

39

6. REFERÊNCIAS

Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis, Resolução ANP n° 19,

de 15.4.2015, 2015, acessado em 29/09/2016, disponível em <

http://nxt.anp.gov.br/NXT/gateway.dll/leg/resolucoes_anp/2015/abril/ranp%2019%20-

%202015.xml#art4 >

ALLES, C. J. B. Teconologia no Tratamento e Clarificação de Caldo na

Produção Sucroalcooleira, Marília, 2013.

FERREIRA, M. C., MEIRELLES, A. J. A., BATISTA, E. A. C., Study of the Fusel Oil

Distillation Process, Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013.

GOMIS, V., FONT, A., PEDRAZA, R., SAQUETE, M. D., Isobaric vapor-liquid-liquid

equilibrium data for the water-ethanol-hexane system, Fluid Phase Equilibria, 2007.

HUGOT. E. Manual da Engenharia Açucareira. São Paulo: Mestre Jou, 1969.

Volumes I e II.

MEDEIROS, F. A. Processo de Fabricação do Açúcar. 3ª edição, Recife,

Editora Universitária - UFPE, 2011.

MEZAROBA, S., MENEGHETTI, C. C., GROFF, A. M. Processos de

produção do açúcar de cana e os possíveis reaproveitamentos dos

subprodutos e resíduos resultantes do sistema. IV Enconto de Engenharia

de Produção Agroindustrial, Campo Mourão, Paraná, 2010.

PAYNE J. H. Operação unitária na produção de açúcar de cana. 1ª edição,

São Paulo : Nobel : STAB, 1989.

REIN, P. Engenharia do Açúcar da Cana, 878p., Ed: Bartens-Berlim,

Alemanha, 2003.

40

SANTOS, A. M. Estudo da Influência da Complementação de Nutrientes

no Mosto Sobre o Processo de Fermentação Alcoólica em Batelada,

Dissertação (Mestrado em Engenharia Química), Universidade Federal de

Alagoas, Maceió, Alagoas, 2008.

SIFAEG, Entressafra – Hora de Fazer Manutenção nas Usinas. Disponível

em < http://www.sifaeg.com.br/noticias/entressafra/> acessado em 17/08/2016.

ÚNICA. Principais Números e Crise no Setor, 2015. Disponível em <

http://www.unica.com.br/documentos/documentos/cana-de-acucar/>, acessado

em 30/08/2016.

41

7. ANEXOS

Anexo I – Declaração de realização do estágio emitido pela usina Santa Clotilde S.A.

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Anexo II – Termo de Compromisso do estágio realizado.

45

Anexo III – Fichas de Avaliação bimestrais do estágio.

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8. DE ACORDO

________________________________ e ________________________________

David Antônio da Silva Arthur Barbosa de Lira

Relatório de Estágio - LIRA, A. B.

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