Etanol - Binghuai, Diego, Marcos e Tiago

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Processos Bioquímicos Industriais
Tópicos para pesquisa sobre etanol (Atividade 1)
Integrantes do Grupo: Binghuai Chen (10685719), Diego Faria Sanches
(10781943), Marcos Campos Mancebo (10828482), Tiago de Carvalho e Silva
Boncompagno (10781901)
1) Partindo-se do álcool retificado, como pode ser produzido o álcool anidro?
O álcool hidratado pode passar por um dos três processos de desidratação
que são: azeotrópica, extrativa e adsorção.
Na destilação azeotrópica é utilizado o ciclohexano, gerando uma mistura
ternária (azeótropo) com o álcool e a água de menor ponto de ebulição que retém a
molécula de água. O menor ponto de ebulição da mistura, comparado ao ponto de
ebulição do álcool, faz com que a água seja retirada no topo da coluna C, coluna de
desidratação (Figura 1). Durante o processo, a mistura ternária
etanol-água-desidratante formada na coluna C segue para o resfriamento nos
condensadores H e H1, retornando ao decantador para formar uma mistura líquida
bifásica. Essa é composta de uma fase leve com maior concentração de
desidratante e outra fase rica em água. Essa mistura bifásica é separada no
decantador, sendo a fase orgânica reciclada à coluna C, enquanto a fase aquosa é
enviada para a coluna P, onde ocorre a recuperação do ciclohexano, o qual retorna
para o processo de destilação. O álcool anidro, com um teor alcoólico em torno de
99,3% p/p, é retirado na base da coluna C, onde é condensado e armazenado.
(NUNES; FINZER; 2019; SANTOS, 2021)
Figura 1 - Configuração industrial de destilação do etanol por destilação
azeotrópica com ciclohexano.
Fonte: NUNES; FINZER, 2019.
Na destilação extrativa é utilizado uma coluna de desidratação, onde são
adicionadas substâncias que aprisionam a água na parte superior da coluna,
possibilitando a separação da água com o etanol na destilação. O monoetilenoglicol
(MEG) é a substância mais utilizada nesse procedimento e, inversamente ao
processo do ciclohexano, absorve e arrasta a água para o fundo da coluna e os
vapores de álcool anidro saem pelo topo da coluna (Figura 2). A mistura contendo
água, MEG e uma pequena quantidade de álcool é enviada para uma coluna de
recuperação do MEG, o qual retorna ao processo de desidratação. (NUNES;
FINZER; 2019)
Figura 2: Desidratação do etanol por destilação extrativa com monoetilenoglicol.
Fonte: NUNES; FINZER, 2019.
As peneiras moleculares são estruturas sintéticas, porosas e cristalinas de
grande área superficial, denominadas zeólitas. Apresentam um alto custo de
implantação, mas possuem elevada capacidade de adsorção seletiva, pois, de
forma geral, o processo de obtenção de etanol anidro por zeólitos ocorre em função
do tamanho das moléculas de água e etanol. Esse equipamento é construído de
forma a reter a água à medida que o etanol passa. Nesse método, a água é
adsorvida seletivamente pelo material zeólito, enquanto o álcool anidro é obtido ao
permear. Por causa dessa seletividade, há um menor custo operacional e o etanol
anidro retirado nesse processo é de alta qualidade, uma vez que não apresenta
riscos de contaminação por outra substância química, podendo atender mercados
mais exigentes por exportação. Em razão da contínua retenção de água no reator
de zeólitos, o mesmo deve ser desidratado ou regenerado para possibilitar o reuso.
Nesse caso, ao menos dois leitos de zeólitos (Figura 3) devem ser mantidos em
operação, um na fase de adsorção e outro na fase de regeneração. (SANTOS,
2021)
Figura 3 - Configuração de desidratação do etanol por peneiras moleculares.
Fonte: NUNES; FINZER, 2019.
2) Busque e apresente dados atuais sobre: produção de cana-de-açúcar,
açúcar e álcool no Brasil; produção de álcool nos EUA.
O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar e, na safra 2020/21,
foi responsável pela produção de 654,5 milhões de toneladas destinados à
produção de 41,2 milhões de toneladas de açúcar e 29,7 bilhões de litros de etanol.
Na safra 2020/21, a produção mundial de açúcar foi de 179,9 milhões de
toneladas, e a produção brasileira representou 22% do total produzido; para a safra
2021/22, estima-se a produção de 186 milhões de toneladas. O cenário favorável
dos preços do açúcar no mercado internacional, a menor produção do adoçante nos
principais produtores mundiais, além da pandemia, foram fatores que contribuíram
para o aumento da demanda externa em 2020. O país foi responsável pela
exportação de 30,7 milhões de toneladas de açúcar, quantidade 1,1 vez superior ao
exportado em 2019.
Com a redução do número de deslocamentos de pessoas, foram
comercializados na Federação 19,25 bilhão de litros, e 10,13 bilhão de litros no
Estado de São Paulo. Em 2020, o país exportou 2,69 bilhões de litros de etanol para
os seguintes destinos: Estados Unidos, Coreia do Sul, Países Baixos (Holanda),
Japão e Nigéria.
Nos Estados Unidos, a produção média de etanol aumentou 5,62% para
1,071 milhão de barris por dia na semana encerrada em 27 de maio, ante 1,014
milhão de barris registrados na semana anterior. Já os estoques de biocombustível
reduziram 2,95%, para 23 milhões de barris. Os números foram divulgados em
junho de 2022 pela Administração de Energia do país (EIA)
3) Busque e apresente dados sobre: composição da cana-de-açúcar, período
da safra da cana-de-açúcar no Brasil, curvas de maturação
A composição da cana-de-açúcar varia conforme: variedade, época do
ano(colheita), tipo de colheita, queima (frio/quente), carregamento/transporte,
condição edafoclimática e entre outros fatores. Mas de maneira geral, pode-se
colocar a composição da cana da seguinte forma: 74,5% de água, 25% de matéria
orgânica e 0,5% em matéria mineral. Do ponto de vista industrial, pode-se preparar
de dois tipos diferentes, sendo eles “fibra” e “caldo”.
A fibra seria todo material insolúvel em água, como a lignina, celulose e
hemicelulose. O teor da fibra varia de 18% a 30%. O caldo é composto por água e
de todos os solúveis(açúcares, cinzas, materiais nitrogenados e outros). O teor do
caldo varia de 70% a 80% de água e de sólidos solúveis.
O período da safra da cana-de-açúcar no Brasil varia conforme as regiões
sendo:
- Na região do Centro-Sul: a safra tem início nos meses de abril/maio e tem
término em novembro/dezembro;
- Na região do Nordeste: a safra tem início nos meses agosto/setembro e vai
até março/abril.
A determinação do estado de maturação é importante dentre as operações
preliminares de fabricação. No decorrer do seu ciclo, a cana atravessa dois estágios
distintos com relação ao teor de sacarose.
1º: intenso crescimento vegetativo acompanhado por uma gradual formação de
sacarose;
2º: acúmulo de sacarose, motivado pela escassez dos principais fatores de
desenvolvimento vegetativo.
Figura 4 - Curvas de maturação
Fonte: Prof. Antonio Sampaio Baptista, 2016.
4) Quais as formas de colheita de cana-de-açúcar no Brasil? Apresente
algumas particularidades de cada caso.
No Brasil, existem 3 formas de colheita de cana-de-açúcar, sendo elas:
- Sistema manual;
- Sistema semimecanizado;
- Sistema mecanizado.
Cada um das 3 formas de colheita possuem suas particularidades. O sistema
manual por exemplo há queima da cana para aumentar a eficiência do processo, no
entanto ocorre a emissão de dióxido de carbono e de outros gases, que
potencializam o efeito estufa na atmosfera terrestre, além da difusão de fuligens que
incomodam os moradores da região canavieira.
O sistema semimecanizado tem o corte feito de forma manual, porém o
recolhimento da cana é feita de maneira mecanizada, utilizando máquinas para
fazer este recolhimento e colocar dentro dos caminhões.
Já o sistema mecanizado tem o corte, recolhimento e carregamento da
cana-de-açúcar feito através de máquinas controladas por operadores
especializados. Esse sistema é o mais utilizado atualmente devido sua alta
eficiência, menos gastos com mão de obra e maior produtividade nas
plantações.(Silva & Silva, 2012)
5) Descreva o processo de fabricação do açúcar, da chegadada cana na
indústria até o açúcar não refinado. Procure detalhes de cada etapa.
Para a produção de açúcar, da chegada da cana na indústria até o açúcar não
refinada, as etapas industriais são:
● lavagem da cana;
● preparo para moagem ou difusão;
● extração do caldo: moagem ou difusão;
● purificação do caldo: peneiragem e clarificação;
● concentração do caldo;
● cozimento;
Lavagem da cana
O processamento da cana de açúcar inicia-se na lavagem da mesma, com o
principal objetivo de remover a terra e os detritos vindos da colheita. A operação é
realizada em uma mesa alimentadora através de chuveiros verticais de água limpa
ou reciclada. Antes de ser reciclada, a água de lavagem é decantada e em seguida
tratada com cal até pH 7,0 (após a lavagem da cana, o pH da água decresce para
níveis próximos de 4,0). Para aumentar a eficiência de decantação, a água deve
passar antes por um sistema de peneiramento. A lavagem pode ser a frio ou a
quente. No caso de lavagem à quente é utilizada água dos condensadores. A
adição de água sob pressão aumenta a eficiência de lavagem. O consumo mínimo
de água é de aproximadamente 5 m3 por tonelada de cana processada por hora
(TCH). Em algumas usinas este consumo é da ordem de 10 a 15 m3 / TCH.
São procedimentos comuns numa usina:
● Renovar parte da água constantemente (parte limpa e parte reciclada)
● Usar bactericidas nas águas de reciclo (bactericidas à base de
compostos voláteis como organosulfurosos e quaternário de amônio)
Preparo da cana para moagem
Os objetivos desta etapa são: aumentar a capacidade das moendas através
do aumento da densidade das massas de alimentação (menores tamanho de cana)
e romper a estrutura da cana, facilitando a extração do caldo e moagem. Para a
realização dessa etapa, é essencial a utilização dos seguintes equipamentos:
picador e desfibrador.
As vantagens da etapa de preparo da cana no desempenho do processo são:
● Aumento do rendimento da usina
● Regularidade de alimentação das moendas
● Redução do consumo de energia
● Homogeneização do teor de fibras nas canas
● Redução do desgaste e quebra de moendas.
Equipamentos
● Picador: são geralmente usados picadores de facas do tipo
niveladoras e cortadoras
● Niveladoras: regularizar e uniformizar a carga de cana descarregada
no condutor principal
● Cortadoras: reduz a massa heterogênea de cana em massa uniforme
e homogênea.
● Desfibrador: consta de um carter cilindro em fundição provido em seu
interior de um rotor com série de martelos oscilantes que trabalham
sobre barras desintegradoras. A cana picada é alimentada no
equipamento pela parte superior e é descarregada triturada pela parte
inferior. O desintegrador corresponde a mais um terno da moenda.
Moagem da cana
Após o preparo, a cana é esmagada em moendas para a remoção do caldo.
Entende-se por moenda todo o conjunto de 3, 6, 9 ou 12 rolos ou cilindros
agrupados na unidade de moagem de funcionamento simultâneo, geralmente,
precedido de mais de dois rolos cilindros especiais e denominado de esmagadores,
mais destinados a reduzir a cana a pedaços do que propriamente a espremê-la. Em
termos gerais, a extração do caldo aumenta percentualmente com o número de
ternos ou de cilindros ou rolos pelos quais passam a cana e o bagaço. Os cilindros
são providos de ranhuras ou frisos, que tem a finalidade de aumentar a superfície
útil de contato com o bagaço.
Para aumentar o rendimento industrial, é adicionada água no bagaço, por
meio de pulverizadores dispostos entre os diversos jogos de moenda. Este
procedimento de embebição ou diluição pode ser aplicado apenas em um dos
pontos das esteiras entre os ternos das moendas (embebição simples) ou pode ser
aplicado em dois ou três pontos (embebição composta), conforme mostrado na
Figura 5. Na embebição composta é adicionado água ou caldo diluído às moendas.
Figura 5 - Sistema de Moagem com Embebição Composta
Fonte: CASTRO, 2013.
A quantidade de água de embebição é função de:
● Capacidade de evaporação, deve-se tomar cuidado para não reduzir
demais o Brix
● Teor de fibra da cana (maior teor de fibra maior quantidade de água)
● Riqueza da cana: maior concentração de sacarose maior embebição
● Balanço de custo X benefício: preço do açúcar extraído X custo da
extração
A qualidade da água de embebição é outro fator importante, sendo
consideradas inadequadas, águas de condensação e águas ácidas, alcalinas, sujas
ou poluídas. Geralmente são utilizadas águas das caixas de evaporação e águas
dos rios ou reservatórios. Água quente provoca melhor difusão e produz um bagaço
mais seco. A capacidade de uma instalação de moagem é dada pelo número de
toneladas de cana moída por hora ou por dia. E depende de numerosos fatores, tais
como do número de cilindros e das dimensões destes, de sua velocidade, das
aberturas de entrada e saída da cana, da força da máquina ou dos motores
empregados. Extração na faixa de 95% pode ser obtida pelo emprego de uma
unidade de moagem composta por 4 ternos de moendas e 1 esmagador. O bagaço
resultante da extração do caldo do último terno da moenda é utilizado como
combustível para as caldeiras.
Purificação do caldo
O caldo de cana bruto é um líquido viscoso que contém substâncias
dissolvidas, material em suspensão e pH em torno de 5,3. Para remover as
impurezas grossas, o caldo é inicialmente peneirado, e em seguida tratado com
agentes químicos, para coagular parte da matéria coloidal (ceras, graxas, proteínas,
gomas, pectinas, corantes), precipitar certas impurezas (silicatos, sulfatos, ácidos
orgânicos, Ca, Mg, K, Na) e modificar o pH. A definição do processo de purificação
depende basicamente do tipo de açúcar a ser fabricado.
Entre os agentes químicos empregados nesta etapa, podem ser destacados:
● Cal (agente básico em todos processos de clarificação)
● SO2
● CO2
● MgO (pode ser usado em substituição a cal)
● Auxiliares: fosfatos (mín.150 ppm), bentonita, polieletrólitos
Esses agentes químicos sob efeito da temperatura provocam a formação de
precipitados que promovem a remoção das impurezas sem afetar o teor de
sacarose. As consequências do emprego de caldo tratado de forma deficiente são:
problemas de incrustação na etapa de evaporação e formação de cristais de
sacarose impuros. Os agentes químicos normalmente empregados nas usinas nesta
etapa são: sulfito (sulfitação) e leite de cal (caleação). É comum adicionar-se um
pouco de H3PO4, pois os caldos que contém baixo teor de fosfato (teor normal deve
estar situado entre 70 a 400 ppm), não são clarificados adequadamente. Baixos
teores de fósforo acarretam: caldos escuros, pequeno volume de borras, baixa
remoção de cálcio, clarificação dificultada e borras não compactas. A caleação
consiste na adição ao caldo, de leite de cal em forma contínua ou intermitente até
pH 7,2 a 8,2. Pelo tratamento do caldo com leite de cal, resulta a formação de
substâncias insolúveis e floculação.
Figura 6 - Purificação do Caldo Bruto
Fonte: CASTRO, 2013.
Após a adição do leite de cal, a mistura é aquecida com vapor d'água a alta
pressão e as impurezas contidas no caldo formam uma borra que é separada do
caldo, através de decantadores. A velocidade de sedimentação das impurezas
depende do tamanho e forma das partículas, densidade e viscosidade do caldo. É
importante salientar que a filtração do caldo decantado é facultativo, mas é
necessário submeter a borra a uma filtragem adicional, para isso são empregados
filtro prensa ou filtro rotativo.
Concentração do caldo
O caldo clarificado é então submetido a uma concentração gradativa.
Primeiro, o caldo toma consistência de xarope nos evaporadores (a etapa de
evaporação, geralmente reduz a concentração original de água no caldo de 80%
para 40%, resultando na formação de um xarope grosso e amarelado). Os
evaporadores são recipientes cilíndricos, fechados e providos de vigia com vidros
para o acompanhamento do processo no interior dos mesmos. Na evaporação
empregam-se não apenasum vaso de evaporação, mas um conjunto de até cinco,
quando então, são chamados de evaporadores de múltiplo efeito. Toda a operação
é realizada a vácuo, produzido pela condensação de vapores de cada vaso. Desse
modo, o primeiro vaso não trabalha sob vácuo, só do segundo em diante.
O xarope resultante dos evaporadores passa então aos cozedores,
comumente chamados de vácuos, vasos muito semelhantes aos evaporadores em
simples efeito, ou seja, cada vaso recebe independentemente uma carga de vapor,
através de um distribuidor de vapor. Nesta etapa, num conjunto de vasos que
funcionam sob vácuo (maior que o empregado nos evaporadores) tem lugar a
segunda fase da concentração e o xarope levado até a supersaturação toma
consistência de mel e começam a se formar os cristais de açúcar que após
crescerem em tamanho e aumentado o volume da massa cozida (uma mistura de
cristais envolvida em mel) é descarregado nos cristalizadores, onde se completa a
cristalização do açúcar.
Ainda que construídos segundo diversos modelos, os cristalizadores são
basicamente iguais, providos de um elemento que gira lentamente, uma espécie de
parafuso que movimentando a massa faz com que o açúcar dissolvido no mel entre
continuamente, em contato com os cristais, aumentando o volume enquanto
também se processa o resfriamento. Dependendo da quantidade de massas, os
cristalizadores também são empregados em conjunto.
Uma vez completada a cristalização, a massa cozida é então centrifugada
com o objetivo de separar os cristais de açúcar do mel que os envolve. Os cristais
obtidos são de açúcar demerara de boa qualidade e o xarope obtido é reciclado
para os cristalizadores. O mel final, mel exausto, mel residual ou melaço é, portanto,
o subproduto resultante de massas cozidas que já foi pelo menos reciclada duas
vezes. O melaço pode ser utilizado para ração de gado e como matéria-prima para
diferentes tipos de processos fermentativos.
O açúcar demerara é o tipo conhecido no mercado internacional pela
denominação de Raw Sugar, de cor escura amarelada, tendente ao âmbar e que
deve passar pelo processo de refinação ou branqueamento antes do seu consumo.
É o tipo essencialmente destinado à exportação contendo aproximadamente 98%
de sacarose e 0,25% de umidade. Um fluxograma simplificado é mostrado na Figura
7.
Figura 7 - Fluxograma do processo de fabricação de açúcar não refinado
Fonte: CASTRO, 2013.
6) Descreva o processo de refinação do açúcar. Procure detalhes de cada
etapa.
A refinação é realizada por um processo comum a todos os tipos de açúcares
presentes no mercado (Figura 8), denominado de Via Líquida. E, se divide nas
seguintes fases:
● Dissolução
● Clarificação
● Filtração em Leito de Areia
● Filtração em Leito de Carvão Animal
● Filtração em Leito de Resina
Figura 8 - Fluxograma do processo de fabricação de açúcar - refinaria.
Fonte: CASTRO, 2013.
A dissolução do açúcar bruto proveniente das usinas é o início da refinação
do açúcar que pode ser recebido em sacos a granel ou em containers, que são
descarregados e transportados até elevadores de caneca, que por sua vez, irão
conduzi-los até os Silos de Armazenamento.
Cada silo alimenta um dissolvedor e é neste equipamento que ocorre, sob
aquecimento, a dissolução do açúcar com água doce oriunda do desdoçamento de
equipamentos de todos os setores da refinaria. A calda dissolvida dentro do
dissolvedor apresenta temperatura entre 70 e 80ºC; pH de 7,0 a 7,4; e concentração
de 66,8 a 68,3º Brix (porcentagem de sólidos solúveis) e é então passada por
peneiras vibratórias, onde grande parte das impurezas (especialmente bagacilho) é
retirada. Em seguida, a calda é bombeada para os tanques de calda dissolvida,
sendo então enviada ao setor de clarificação.
Na Clarificação, são utilizados trocadores de calor para que a calda atinja
uma temperatura em torno de 85 a 90ºC. Na linha que conduz a calda dos
trocadores aos clarificadores são adicionados na calda componentes para promover
a floculação e a flotação de corantes presentes que posteriormente são retirados na
parte superior dos equipamentos. A calda clarificada, retirada na parte inferior do
equipamento, é enviada para os tanques de calda clarificada. Ao final deste
processo, há uma redução de 50% da cor.
O estágio seguinte é da Filtração, realizado em 3 etapas. A primeira é
pré-filtração, onde é feita a passagem por filtros de areia para retirar partículas
insolúveis provenientes da clarificação, proporcionando redução na turbidez da
calda. A calda armazenada no tanque de pré-filtração segue dois caminhos
distintos: um visando a produção de açúcar granulado e o segundo, a de açúcar
amorfo.
No primeiro caso, a calda é filtrada em colunas contendo resina de troca
iônica que promove o abrandamento ao remover íons de cálcio que poderiam
causar incrustações nos equipamentos seguintes. A calda de saída é enviada a um
filtro de segurança para remover possíveis partículas de resina, sendo então
enviada ao setor de açúcar granulado no qual são produzidos vários tipos de
granulados.
No caso da produção do açúcar amorfo, a calda é bombeada a um tanque
que alimenta os filtros de carvão animal, que promove a adsorção de corantes,
atingindo uma descoloração de cerca de 50%. A calda é armazenada no tanque de
calda filtrada e, posteriormente bombeada para colunas contendo resina de troca
iônica, sendo a última etapa da Via Líquida e com o objetivo de retirar corantes
fortemente aniônicos para promover a redução da cor. Cada coluna apresenta um
filtro de segurança para reter eventuais partículas de resinas arrastadas. Esta calda
é enviada a um tanque e então para um filtro de segurança com a função de
assegurar que nenhuma partícula, que porventura tenha passado pelo filtro de
segurança de cada coluna, chegue à fase seguinte.
Posteriormente, a calda é armazenada nos tanques de calda e segue em 4
fluxos distintos com a finalidade de produzir xarope de açúcar simples (açúcar
líquido), xarope de açúcar invertido (açúcar invertido), granulado e açúcar amorfo.
7) Quais as diferenças entre o açúcar obtido da cana-de-açúcar e o obtido a
partir da beterraba? Há alguma diferença no processo? Qual?
O ingrediente derivado da beterraba tem um aroma terroso e oxidado e sabor
residual de açúcar queimado, enquanto o açúcar de cana é caracterizado por um
sabor mais doce e um aroma mais frutado.
A beterraba é processada industrialmente de maneira um pouco diferente.
Depois de colhidas, lavadas e cortadas, as raízes são colocadas em um difusor
onde a água ajuda a extrair todo o líquido que contém açúcar. Depois disso, são
adicionados alguns compostos químicos como o hidróxido de cálcio, o dióxido de
enxofre e o gás carbônico para ajudar na formação de cristais e regular o pH do
líquido produzido.
Apesar da adição de produtos químicos, logo em seguida eles são filtrados e
removidos da mistura e o líquido resultante é aquecido para formar os cristais de
açúcar e o melaço. Nesse processo, o açúcar também é refinado e todos os
nutrientes da beterraba ficam concentrados no melaço e não no açúcar.
8) Além do etanol, que outros produtos podem ser obtidos a partir do açúcar
em processos biotecnológicos?
O melaço (ou mel final) constitui-se no principal subproduto da indústria do açúcar,
sendo produzido na proporção de 40 a 60 quilos por tonelada de cana processada.
No Brasil, devido ao elevado teor de açúcares totais e demais componentes, o
melaço é utilizado, principalmente, na fabricação de álcool etílico, sendo
aproveitado, também, em outros processos biotecnológicos como matéria-prima
para a produção de proteína, rações, levedura prensada para panificação,
antibióticos, entre outros.
Referências:
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df#:~:text=Composi%C3%A7%C3%A3o%20qu%C3%ADmica%20da%20cana%2Dd
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