Tendências e soluções tecnológicas para o setor de açúcar e álcool – IIC

18-03-2019

 Redução da vinhaça e desintensificação energética dos processos industriais – Destilação duplo-efeito.

A desintensificação energética se completa pela substituição da tecnologia de destilação atual pela destilação duplo-efeito, Figura-1, na produção de etanol hidratado tendo como benefícios uma redução de 40% no consumo de vapor de processo na produção de hidratado e mesma redução por demanda de água nos condensadores das colunas.

A destilação duplo-efeito consiste em interligar conjuntos de colunas de produção de hidratado que operam em pressões diferentes. Nesse arranjo as colunas que operam a pressão maior fornecem a energia para as colunas que operam a pressão menor. É o mesmo conceito da evaporação múltiplo efeito.  A escolha das pressões pode ser a combinação de vácuo e pressão atmosférica ou pressão atmosférica e pressão mais elevada. O consumo de vapor de processo é essencialmente o mesmo independente da pressão escolhida. O custo de capital deve ser o fator para definição da escolha das pressões da destilação duplo-efeito.

 Para a etapa de desidratação, a tecnologia de peneira molecular é a mais apropriada por apresentar menor consumo de vapor de alta pressão.A extração de etanol anidro vapor para desidratação em peneira molecular reduz o consumo total de vapor, hidratado e anidro, para 1,25 kg/L.

O resumo geral do que foi apresentado em todos os artigos está na Figura-2. Ela mostra todos os seis módulos tecnológicos que compreendem o pacote denominado “Otimização da tecnologia de produção de etanol”.

A implementação dessa otimização tecnológica proposta pode ser em etapas conforme sequência abaixo, diluindo os investimentos necessários.

Etapa 1: fermentação a 12ºGL: 6,3 L/L de vinhaça;

Etapa 2: fermentação a 15ºGL:4,8 L/L de vinhaça;

Etapa 3: Reciclo de vinhaça na fermentação (50%): 2,4 L/L de vinhaça;

Etapa 4: concentração da vinhaça a 22% sst: 1,2 L/L de vinhaça.

Etapa 5: destilação duplo efeito.

O investimento necessário é específico para cada Usina e só pode ser determinado a partir de extensa coleta de informações que permita um diagnóstico situacional para definir a complementação em equipamentos necessários. O excedente de energia elétrica é específico de cada Usina e depende também da proporção de produção de açúcar e etanol.

Todos os módulos tecnológicos integrantes do pacote denominado “Otimização da tecnologia de produção de etanol”, são tecnologias testadas industrialmente e são, portanto, robustas e maduras.

Figura-1. Representação esquemática da destilação duplo-efeito.

Figura-2. Representação esquemática do pacote tecnológico “Otimização da tecnologia de produção de etanol”.

Tendências e soluções tecnológicas para o setor de açúcar e álcool – IIIA

Cinética de degradação térmica de açúcares sob condições de processo típicas encontradas nas usinas de açúcar e álcool brasileiras. Localizando perdas indeterminadas.

O processamento do caldo de cana inclue várias etapas durante as quais o caldo é aquecido a temperaturas de até 120ºC por intervalos de tempo que variam de alguns poucos segundos nos trocadores de calor e aquecedores a horas na clarificação e na evaporação. O caldo aquecido sofre reações de degradação, catalizadas pela temperatura, que resultam em perdas econômicas para a indústria.

O primeiro passo envolvido na degradação térmica da sacorse é sua hidrólise nas hexoses termolábeis glicose e frutose. Em meio ácido o principal produto de degradação é o 5-hidroximetilfurfural (HMF) enquanto que em meio alcalino, pH>9, são formados produtos estáveis, principalmente o ácido lático.

Devido a dificuldades e baixa precisão envolvidos num balanço de massa da sacarose na evaporação, marcadores químicos estáveis presentes no caldo têm sido usados para avaliar a hidrólise da sacarose, principalmente em evaporadores. Daí a busca continua por marcadores no caldo para monitorar as mudanças no fluxo de massa da sacarose com mais exatidão. Os principais marcadores utilizados são o Brix e a glicose na forma de razões Brix/sacarose e glicose/sacarose que são monitorados ao longo da evaporação.  Entretanto, o assunto é controverso quanto ao melhor marcador a ser utilizado e a busca por novos e melhores marcadores continua.

Alternativamente, a abordagem cinética é uma ferramenta útil para projetar apropriadamente equipamentos envolvidos nas etapas quentes do processamento do caldo a fim de minimizar ou evitar que os açúcares sofram reações de degradação. Ela é frequentemente utilizada no projeto dos processos térmicos na indústria de alimentos com o objetivo de inativar contaminantes microbiológicos com máxima preservação dos nutrientes como açúcares, vitaminas, proteínas, etc.

O perfil térmico ou dados de tempo-temperatura é parte integrante e indissociável da abordagem cinética para avaliar a letalidade dos processos térmicos aos nutrientes ou contaminantes.

O esforço para estimar com precisão as perdas de açúcares por degradação térmica durante o processamento do caldo é especialmente importante atualmente devido à tendência atual de incorporação da cogeração de energia elétrica nas Usinas. Consequentemente, o consumo de vapor de processo vem sendo reduzido pelo uso de vapor de sangria da evaporação em substituição do vapor de escape. Assim a tecnologia atual de cogeração nas Usinas tem potencialmente dois impactos negativos: i: maior tempo de exposição do caldo a temperaturas elevadas aumentando a degradação térmica dos açúcares e ii: no caso de produção combinada de açúcar e etanol, condição característica brasileira, injeção direta de vapor de sangria nas colunas de destilação, o que contribui para aumentar o volume específico de vinhaça em 2,5 L/L a 3,0 L/L.

Apesar da importância e impacto econômico poucos estudos cinéticos são disponíveis. A principal referência utilizada no setor são as correlações de Vukov (1965) para estimar as taxas de hidrólise da sacarose em função da temperatura, concentração de açúcares, concentração de sais e pH para caldos de cana e beterraba. Este trabalho foi realizado compilando estensivos dados disponíveis nos anos de 1930 a 1960 de diversos pesquisadores, quando a cromatografia líquida de alta pressão ainda não estava consolidada e portanto baseado em metodologias analíticas inespecíficas para identificação e quantificação dos açúcares.

O objetivo deste artigo é apresentar os resultados da aplicação da cinética de degradação térmica dos açúcares na estimativa das perdas de açúcares desde o decantador até o xarope à saída do último efeito de evaporação.

Jonas Nolasco Junior

Engº Químico, Mestre e Dr. em Ciência de Alimentos

NJ Engenharia e Consultoria em Bioprocessos Ltda

019-99687-1961

Jonas.nolasco.bioetanol@gmail.com