Relatório de Estágio - LIRA, A. B.

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Relatório de Estágio - LIRA, A. B.

  1. 1. 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
  2. 2. ARTHUR BARBOSA DE LIRA Relatório de Estágio curricular em Engenharia Química Usina Santa Clotilde S/A 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
  3. 3. Processo de Produção de Açúcar e Etanol da Usina Santa Clotilde S/A 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 Universidade Federal de Alagoas _________________________________________________________ Prof. Dr. José Edmundo Accioly de Souza Universidade Federal de Alagoas
  4. 4. 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. 5. 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. 6. 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
  7. 7. 7 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. 8. 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. 9. 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. 10. 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. 11. 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. 12. 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. 13. 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. 14. 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. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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. 15. 15 Figura 5 – Picotador na esteira, desmontado, para manutenção. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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. 16. 16 Figura 6 – Terno de moenda. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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. 17. 17 Figura 7 – Tanques de recolhimento de caldo da usina Santa Clotilde. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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. Fonte: Acervo do autor, 2016.
  18. 18. 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. 19. 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. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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. 20. 20 Figura 10 – Peneiras fixas para o caldo clarificado. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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. 21. 21 Figura 11 – Caixas de evaporação. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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. 22. 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. 23. 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. 24. 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. 25. 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. 26. 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. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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. 27. 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. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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. 28. 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. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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. 29. 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. 30. 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. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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. 31. 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) Fonte: Acervo do autor, 2016.
  32. 32. 32 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. 33. 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. 34. 34 Figura 17 – Terno de moenda desmontado para manutenção. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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. 35. 35 Figura 18 – Treinamento de rapel da equipe de segurança. Fonte: Acervo do autor, 2016. 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).
  36. 36. 36 Figura 19 – Prato da coluna de destilação. Fonte: Acervo do autor, 2016. Figura 20 - Limpeza dos aquecedores na produção de açúcar. Fonte: Acervo do autor, 2016.
  37. 37. 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.
  38. 38. 38 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. 39. 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. 40. 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. 41. 41 7. ANEXOS Anexo I – Declaração de realização do estágio emitido pela usina Santa Clotilde S.A.
  42. 42. 42 Anexo II – Termo de Compromisso do estágio realizado.
  43. 43. 43
  44. 44. 44
  45. 45. 45 Anexo III – Fichas de Avaliação bimestrais do estágio.
  46. 46. 46
  47. 47. 47 8. DE ACORDO ________________________________ e ________________________________ David Antônio da Silva Arthur Barbosa de Lira

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