Capítulo 05 - Apostila Cana

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Capítulo 5 
Purificação do Caldo 
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5. PURIFICAÇÃO DO CALDO 
 
 
 
5.1. Introdução. 
 
O objetivo da purificação do caldo é a obtenção de um caldo claro, brilhante e 
transparente. Isso deve ser feito através da eliminação de impurezas dissolvidas e em 
suspensão, sem afetar a sacarose presente. 
Os objetivos dos diferentes processos são a coagulação máxima dos colóides e a 
formação de um precipitado insolúvel que arraste todas as impurezas coloidais responsáveis 
pela natureza turva do caldo. A temperatura e a mudança de reação do meio ( pH) são as 
variáveis mais importantes que devem ser conduzidos de modo que o final das reações 
ocorram próximos da neutralidade. 
 
5.2. Peneiragem do caldo. 
 
 A peneiragem do caldo tem por finalidade a eliminação de impurezas grosseiras, 
tais como: bagacinho, pedaços de cana e até mesmo a própria cana. A presença dessas 
frações decorre da utilização dos equipamentos preparadores de cana (jogo de facas 
nivelador, jogo de facas picador ou desintegrador), além do desgaste natural dos 
equipamentos e mal assentamento da bagaceira. 
 A remoção dessas impurezas se faz necessária pois as mesmas promovem 
freqüentes entupimentos de bombas, propiciando incrustações em canalizações, e em 
tubulações dos corpos aquecedores e evaporadores. 
 
5.3. Tipos de peneiras de caldo. 
 
 Vários são os tipos de peneiras encontrados em usinas de açúcar. As mais 
freqüentes, e as primeiras a remover impurezas do caldo misto são as do tipo rotativas, que 
se constituem em um cilindro telado, inclinado, que apresenta movimento de rotação. Na 
extremidade superior, em sua parte interna, é admitido o caldo misto proveniente das 
moendas. A parte líquida passa pelos orifícios da tela, dando seqüência no processo de 
fabricação. As impurezas ficam retidas na tela, sobre a superfície interna do cilindro. Sobre 
esse material atuam duas variáveis simultaneamente: a força da gravidade e o movimento 
de rotação do cilindro. Ambas resultam no deslocamento desse material sobre a tela, até a 
extremidade inferior, se depositando sobre uma esteira que, ao se movimentar, retorna o 
material (bagacilho) às moendas. cush-cush. AsEssas constituem-se de uma chapa 
perfurada através da qual o caldo deve ultrapassar, atingindo uma caixa coletora também 
denominada de caixa receptora de caldo misto peneirado. As impurezas ficam retidas na 
peneira sobre a qual desliza uma esteira dotada de rastelos de madeira cuja função é o 
arraste do material aí acumulado até um condutor tipo parafuso sem fim que retorna às 
moendas para que o caldo seja extraído. 
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 Assim, os orifícios da tela são constantemente limpos pelos rastelos, deslocados 
pela movimentação de uma corrente dupla sem fim presa em cada uma de suas 
extremidades. Quanto ao condutor tipo parafuso sem fim, este acha-se posicionado dentro 
de uma calha em forma de U , onde o mesmo, quando em funcionamento, apresenta 
movimento de rotação, o que promove o deslocamento das impurezas até o condutor 
intermediário localizado entre o primeiro e o segundo terno de moendas. 
 
 
 
 
Figura 5.1. Vista parcial da superfície filtrante da peneira rotativa 
Dedini. (Fonte Dedini Indústrias de Base, 2007). 
 
 
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Figura 5.2.Vista lateral de uma peneira rotativa Dedini instalada 
externamente ao galpão da moenda. (Fonte: Dedini Indústrias de Base, 
2007). 
 
 
5.4. Pesagem do caldo. 
 
 A pesagem do caldo é necessária pois, juntamente com outras determinações, 
permite o controle do processo de fabricação. Vários são os métodos empregados para a 
determinação da quantidade de caldo enviado à fabricação. Entre os equipamentos 
empregados pode-se mencionar: medidores de vazão, caixas medidoras de volume, 
balanças registradoras, dentre outros. A preferência pelas balanças decorre do fato de que o 
peso independe da temperatura, a qual varia durante o dia e ao longo da safra, sendo, 
portanto uma variável a menos a ser monitorada. 
 
5.5. Processos industriais de clarificação do caldo. 
 
 Na indústria do açúcar brasileira a clarificação do caldo pode ser realizada de 
formas diferenciadas segundo o tipo de açúcar a ser produzido. Dessa forma, para a 
produção de açúcar demerara, o processo adotado é denominado de defecação simples ou 
caleagem simples. Para a produção de açúcar cristal branco, a clarificação do caldo é 
realizada segundo o processo denominado de sulfo-defecação, ou seja, o caldo é submetido 
inicialmente à sulfitação e posteriormente à caleagem. 
 
5.5.1. Caleagem simples 
 
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 Esse processo é utilizado exclusivamente para a obtenção do açúcar demerara ou 
açúcar cristal bruto, o qual é utilizado como matéria-prima para refinarias produtoras de 
açúcar cristal refinado. Trata-se de um produto de exportação. 
 Basicamente esse processo consiste na aplicação de leite de cal (suspensão em água 
de hidróxido de cálcio - Ca(OH)2), promovendo-se mudança da reação do meio. O caldo 
bruto, que apresenta pH na faixa de 4,8 a 5,8, recebe leite de cal (5-10ºBé) até atingir valor 
de pH entre 7,5 e 8,0. Em seguida, o caldo caleado é enviado aos aquecedores. onde o 
aquecimento se processa até que a temperatura entre 100 e 105ºC seja atingida. 
Além do leite de cal também podem ser empregados fosfatos, polieletrólitos, 
bentonita e outros produtos que atuam como coadjuvantes no processo. 
O leite de cal é obtido através da hidratação da cal de acordo com a reação que se 
segue. 
 
 1CaO + 1H2O 1Ca(OH)2 
 cal água hidróxido de cálcio 
 
No tanque em que se faz a hidratação, várias retiradas de sobrenadante e várias 
adições de água são feitas até se obter a concentração de 5 a 10
o
 Bé. 
 
 1
o
 Bé  1,83o Brix 
A caleagem simples proporciona a ocorrência de reações químicas entre a cal 
hidratada e inúmeros componentes do caldo. Entretanto, a reação mais importante ocorre 
entre o hidróxido de cálcio e os fosfatos solúveis do caldo. 
Os fosfatos presentes no caldo de cana ocorrem em diferentes formas, de acordo 
com o pH. 
As faixas de pH que ocorrem nos caldos propiciam a ocorrência de fosfatos na 
forma de HPO4
--
. Assim, a reação química predominante pode ser esquematizada da 
seguinte forma: 
 
Ca
++
 + HPO4
--
 CaHPO4 
 
 Composto fostatado semelhante à apatita. 
 
5.5.1.1. Adição de leite de cal ao caldo bruto 
 
 Existem dois métodos de se incorporar leite de cal ao caldo bruto proveniente das 
moendas: a caleagem intermitente e a caleagem contínua. 
 
5.5.1.1.1. Caleagem intermitente 
 
 Esse sistema é constituído de três tanques independentes, que recebem leite de cal à 
medida que o caldo vai sendo admitido em seu interiores. Com os três tanques pode-se 
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obter uma boa uniformidade do processo, pois enquanto um dos tanques encontra-se em 
fase de enchimento, outro está sofrendo as correções finais e o terceiro acha-se enviando 
caldo caleado aos aquecedores. 
 
 
Figura 5.3. Tanques de caleagem. Processo intermitente. 
 
5.5.1.1.2. Caleagem contínua 
 
 Esse processo baseia-se na adição de cal numa quantidade proporcional à vazão de 
caldo numa canalização. O conjunto, nesse caso, é constituído de três corpos, sendo o caldo 
obrigado a passar por todos eles através de canalizações que fazem a interligação entre os 
corpos. Nos dois primeiros corposcoloca-se uma determinada quantidade de cal, de 
maneira a se obter um pH da ordem de 80 a 90% do pH desejado. No último corpo 
acrescenta-se de 10 a 20 % da quantidade total necessária. Com esse procedimento procura-
se ter maior tempo de reação, que se resume no efeito da cal sobre o pH do caldo, 
necessário para se vencer o poder tampão do caldo. 
 
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Figura 5.4. Tanques de caleagem. Processo contínuo. 
 
 A quantidade de leite de cal adicionada nesse caso deveria ser controlada por 
potenciômetros automáticos. Entretanto, esses equipamentos apresentam problemas de 
resistência. O que se vê nas nossas usinas é controladores manuais tipo calha com duas 
canalizações. Uma que conduz o caldo para o interior do tanque de caleagem e outra de 
retorno ao depósito de leite de cal. 
 
 
Figura 5.5. Sistema de controle de admissão de leite de cal tipo 
leque. 
 
 No caso de caleagem intermitente, para o controle do processo, o operador pode 
lançar mão de papéis indicadores de pH, ou proceder à titulação do caldo parcialmente 
caleado com solução de NaOH N/10. Conhecendo-se o volume de caldo e o volume de leite 
de cal aplicado, através de tabelas pode-se determinar a quantidade de leite de cal que é 
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necessário ser adicionado para se atingir o pH desejado. As titulações devem ser repetidas 
em função do poder tampão do caldo e da distribuição desuniforme de CaO no leite de cal. 
 O processo mais moderno é o controle do pH automaticamente através de 
potenciômetros, os quais regulam apenas de 10 a 20% da caleagem. Para isso são colocados 
juntos ao último corpo com a função de apenas variar o fluxo de leite de cal de acordo com 
a necessidade. 
 
5.5.2. Sulfo-defecação 
 
 Este processo é utilizado no Brasil para a fabricação do açúcar cristal branco. 
Fundamenta-se na utilização de anidrido sulfuroso (SO2) e leite de cal na forma de 
Ca(OH)2, como agente de neutralização. 
 O caldo misto peneirado é bombeado para o topo da coluna de sulfitação, que é 
constituída internamente de uma série de bandejas perfuradas superpostas. 
 Na base da coluna existem fornos rotativos cuja função é promover a combustão do 
enxofre mineral, produzindo SO2 que é aspirado pôr uma ventoinha localizada no topo da 
coluna de sulfitação. Outros dispositivos também podem ser utilizados para executar tal 
sucção. 
 Dessa forma, enquanto o fluxo de caldo é descendente, o SO2 sobe pelo interior da 
coluna, se adsorvendo ao caldo e conferindo-lhe pH variando entre 3,8 a 4,3. Em algumas 
usinas o pH do caldo sulfitado pode assumir valores maiores, porém produtos auxiliares da 
decantação (polieletrólitos) normalmente são empregados, sob pena de a sua não utilização 
resultar em prejuízos à qualidade do açúcar produzido. 
 
 
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Figura 5.6. Coluna de sulfitação 
 
 
 Na seqüência o caldo sulfitado é conduzido aos tanques de caleagem, onde recebe 
leite de cal até pH 7,0 - 7,2. 
 
5.5.2.1. Obtenção do anidrido sulfuroso 
 
 O SO2 é obtido através da combustão do enxofre mineral de alta pureza (95 - 
99,5%) na presença de ar seco natural ou forçado. 
 A combustão ocorre em fornos fixos ou rotativos. Esses últimos é que são usados no 
Brasil. Constitui-se de uma peça cilíndrica de ferro fundido e de uma câmara de combustão 
que muitas vezes encontra-se imersa em água fria. 
 Com relação ao ar, esse deve ser seco, pois a presença de umidade promove a 
formação de SO3 (sulfito), que reagirá com a água, dando origem ao ácido sulfúrico, o qual 
pode promover corrosão dos equipamentos. 
 
 
 
Figura 5.7. Sistema de alimentação contínua 
de enxofre mineral do forno rotativo. Usina 
São Carlos – Jaboticabal – SP – Brasil, 1999. 
 
O SO2, através da formação de CaSO3, que é insolúvel, promove a precipitação de 
colóides do caldo. Entretanto, é possível enumerar também as seguintes ações da sulfitação 
sobre o caldo: 
 - Purificante 
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 Nesta fase não ocorre decantação. A variação ocasionada no pH permite que se 
atinja o ponto isoelétrico alguns colóides que floculação. 
 - Descorante 
 
 A redução do pH do caldo aumenta a atividade de íons H
+
 que apresenta capacidade 
de reduzir materiais corantes. Contudo, essa ação pode ser revertida, tendo em vista que o 
contato com o ar pode proporcionar oxidação. 
 
 - Fluidificante 
 
 Em decorrência da floculação de colóides, torna-se possível a remoção dos mesmos 
o que reduz a viscosidade do meio. 
 
 - Preservativa 
 
 Além do efeito tóxico ocasionado pelo SO2, a redução do pH torna o meio 
desfavorável ao desenvolvimento de bactérias. 
 
 - Neutralizante 
 
 Ocorre no caso de se empregar o processo de defeco-sulfitação. 
 
 - Inversiva 
 
 Constitui-se na ação mais nociva do SO2 sobre o caldo, pois a acidificação do meio 
favorece a inversão da sacarose. 
 Após a caleagem o caldo é aquecido até o limite de 100-105
o
C. Temperaturas 
superiores podem promover a emulsificação das ceras, o que impedirá sua remoção pôr 
emersão juntamente com as borras leves retiradas do decantador de caldo. 
 
5.5.3. Aquecimento do caldo 
 
O aquecimento do caldo é realizado com as seguintes finalidades: 
- acelerar as reações químicas que levam à formação de compostos insolúveis; 
- promover a coagulação das proteínas e a floculação máxima possível dos 
colóides do caldo; 
- reduzir a solubilidade dos sais de cálcio e a viscosidade do meio, e assim 
acelerar o processo de decantação e clarificação do caldo. 
 
Nas usinas de açúcar o caldo é aquecido em conjuntos de corpos aquecedores 
dispostos em série, ou seja, o caldo simplesmente caleado ou sulfitado e caleado, 
dependendo do tipo de açúcar que se quer produzir, é aquecido progressivamente à medida 
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em que passa pelos diferentes corpos do conjunto aquecedor. Assim, o mesmo entra no 
primeiro corpo à temperatura ambiente (30
o
C) e, após percorrer todos os corpos, sai do 
último à temperatura em torno de 100-105
o
C. As maiores eficiências são obtidos quando se 
eleva a temperatura do caldo a esses níveis. Contudo se, por qualquer razão, a mesma 
atingir valores maiores, ocorre o fenômeno de emulsificação das ceras que se fazem 
presentes no caldo, oriundas da cutina (cera que reveste a superfície das folhas das plantas 
em geral). Assim, uma vez emulsificada, essa fração não mais tem condições de ser 
removida nos decantadores de caldo por emersão, como normalmente acontece. 
 
5.5.3.1. Aquecedores de caldo 
 
Um corpo aquecedor de caldo constitui-se de um cilindro metálico fechado em suas 
extremidades por círculos metálicos perfurados, normalmente de aço ou ferro fundido, 
denominados de espelhos. Internamente existem tubos de diâmetro externo de 11/2” ou 2”, 
cujas espessuras das paredes variam de acordo com o material de que é formado. Assim, 
quando são de aço a espessura das paredes é de 2,0mm; quando são de aço inox a mesma 
pode ser reduzida a 1,20mm. O número desses tubos que ocupam o interior do corpo 
aquecedor varia entre 7 e 35, dependendo do diâmetro dos tubos e da velocidade desejada 
do caldo. O comprimento desses tubos é o mesmo comprimento do cilindro que compõe o 
corpo do aquecedor e varia entre 3 e 4 metros. Esses tubos internos são mandrilados, pelas 
suas extremidades, aos orifícios dos dois espelhos que compõemo equipamento. 
Externamente aos espelhos situam-se os cabeçais. Assim temos o cabeçal superior e o 
cabeçal inferior, os quais são diferentes quanto à forma para garantir que o caldo se 
desloque, no interior do aquecedor, em sentido único. Os cabeçais constituem-se de paredes 
metálicas que determinam espaços individualizados nas duas extremidades do aparelho. 
Esses espaços também são denominados de ninhos ou passes. Vedando o equipamento 
tem-se as tampas. 
O caldo a ser aquecido circula pelo interior dos tubos. Externamente circula vapor 
de aquecimento. Assim, o aquecimento se dá através da transferência do calor latente do 
vapor para o caldo através da parede dos tubos. Ao ceder seu calor latente, o vapor se 
condensa e acaba por se acumular nos espaços localizados externamente aos tubos de 
menor diâmetro e sobre o espelho inferior. Sendo essa água condensada má condutora de 
calor, e ocupando espaço reservado ao vapor de aquecimento, a mesma deve ser removida 
para não comprometer a eficiência do aparelho. 
Em conseqüência da deposição de sais no interior dos tubos de circulação de caldo, 
a eficiência dos aquecedores tende a diminuir com o passar do tempo, uma vez que os 
depósitos formados são também maus condutores de calor. Assim periodicamente faz-se 
necessário a parada desses aparelhos para limpeza. 
Na prática isso é facilmente verificado pois a temperatura do caldo, na saída do aparelho 
diminui progressivamente com o tempo. Variável importante e que define a manutenção 
desses equipamentos por mais tempo funcionando de forma ininterrupta é a velocidade do 
caldo no interior do aquecedor. Normalmente os aparelhos são projetados para que o caldo 
circule a uma velocidade de 2,0 m s
-1
 a pressões que variam de 3 a 5 atm. Velocidades 
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menores aceleram o processo de formação de incrustações. Por outro lado, velocidades 
maiores não permitem a máxima eficiência na transferência de calor do vapor para o caldo. 
Na prática, as usinas de açúcar, quando dispõem de apenas um conjunto de aquecedores, 
realizam a limpeza uma vez por semana. Entretanto, o mais recomendável é que se 
disponha de dois conjuntos aquecedores, cujo funcionamento se alternam a intervalos 
semanais. Assim, sempre se tem um conjunto aquecendo caldo e outro que funcionou na 
semana anterior e que na presente semana é limpo através da passagem em seu interior de 
caldo sulfitado a frio. Existem outros métodos de limpeza dos aquecedores envolvendo 
soluções ácidas, soluções alcalinas ou remoção mecânica através de brocas, que também 
podem ser utilizados, mas causam, com maior freqüência, danos aos tubos dos aparelhos 
que se refletem através do aparecimento de orifícios em suas superfícies 
 
Figura 5.8. Aspecto externo de um corpo aquecedor de caldo. 
 
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Figura 5.9. Visualização dos espelhos 
superior e inferior e respectivos cabeçais de 
um aquecedor de caldo. 
 
5.5.4. Decantação 
 
 A decantação consiste na remoção de impurezas que foram floculadas pela ação de 
agentes clarificantes e pelo aquecimento. 
 Nesta fase eliminam-se impurezas de maior e menor densidade, as quais se separam 
por sedimentação e emersão. 
 
5.5.4.1. Decantação Contínua 
 
 O decantador contínuo deve receber continuamente um fluxo de caldo tratado e, 
devido a detalhes de construção, permitem a separação do caldo clarificado e do lodo ou 
borras. 
 Os decantadores contínuos devem ser dimensionados de maneira que a saída de 
caldo clarificado tenha uma velocidade tão baixa que não inviabilize o processo de 
decantação. 
 O caldo claro deve sair pelas partes superiores e o lodo pelas inferiores, de tal modo 
que as frações obtidas deixem o decantador obedecendo o princípio de vasos comunicantes, 
passando pelas caixas de prova localizadas próximas a borda dos aparelhos. 
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O decantador mais utilizados nas usinas de açúcar é do tipo DORR. Este constitui-
se de um tanque de forma cilíndrica com um fundo e uma tampa, ambos cônicos. 
Internamente compõem-se das seguintes partes: câmara de floculação ou coagulação, 
câmara de concentração de cachaça ou borras, além de 3 a 5 compartimentos clarificadores. 
Os compartimentos clarificadores são separados por bandejas cônicas e paralelas ao 
fundo, as quais possuem uma larga abertura central que faz a comunicação entre os 
compartimentos, constituindo-se no espaço por onde saem as borras. Esse canal central é 
atravessado por um eixo que sustenta suportes para raspadores em número de quatro, os 
quais se distribuem de forma oposta e ortogonal. Para o acionamento do eixo central 
utiliza-se de motor elétrico que através de roldanas e polias confere ao eixo velocidade 
angular variando entre 10 e 12 r.p.h. . Na câmara de coagulação encontram-se raspadores 
horizontais que eliminam borras leves através das calhas de descarga. 
Externamente, na parte superior, tem-se as caixas de prova de caldo clarificado e de 
lodo ou borra. Na parte inferior tem-se a caixa de descarga ou de liquidação. Ainda, como 
acessórios encontram-se o balão de flash, tubulações e registros. O caldo aquecido, antes de 
entrar no decantador, passa pelo balão de flash onde sofre auto-ebulição decorrente da 
queda da pressão e perda de velocidade. 
 
 
Figura 5.10. Decantador tipo DORR. 
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Figura 5.11. Caixa de prova de caldo clarificado. Detalhe 
das válvulas de movimentação das garrafas de caldo 
clarificados dos diferentes compartimentos clarificadores. 
 
 
Figura 5.12. Amostra de caldo clarificado coletada da caixa 
de prova. 
 
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Figura 5.13. Caixa de prova de lodo. Usina São Carlos – 
Jaboticabal – SP – Brasil. 
 
 Os caldos clarificados retirados dos diferentes compartimentos clarificadores 
deixam o decantador, sendo encaminhados à etapa seguinte que é a evaporação. 
 
5.5.5. Filtração das borras 
 
 As borras são muito gelatinosas, não tendo condições de serem filtradas. Daí a 
necessidade de se adicionar certa quantidade de bagacilho qual atua no sentido de aumentar 
a porosidade desse material. 
 Nas usinas brasileiras a quantidade de bagacilho acrescentada às borras varia de 4 a 
6 kg por tonelada de cana moída. Essa fração fina de bagaço é obtida colocando-se uma 
peneira contendo 56 malhas/dm
2
, ocupando um trecho do fundo da esteira que conduz 
bagaço às caldeiras. Esse bagacilho é transportado, pela ação de um ventilador com 
capacidade de 6-7 m
3
/kg de bagacilho, ao misturador de borras, onde também se acrescenta 
leite de cal até que o pH do lodo atinja a faixa de 7,5 a 8,0, o que também contribui para a 
melhoria da sua filtrabilidade. 
 
5.5.6. Funcionamento do filtro rotativo a vácuo. 
 
 O cilindro, parcialmente mergulhado na caixa contendo lodo + bagacilho, inicia seu 
funcionamento ao penetrar na mistura (velocidade de 0,3 r.p.m.), momento em que inicia-se 
a formação de vácuo (varia de 15 a 18 cm de Hg). Com esse vácuo inicial as primeira 
porções de lodo + bagacilho prende-se à tela do filtro, formando uma pequena camada 
filtrante. Em seguida, a camada aderente ao filtro torna-se mais espessa, fazendo com que 
haja necessidade de aumentar a intensidade do vácuo. Com o movimento de rotação do 
cilindro, o material preso à tela recebe água quente pulverizada lateralmente e na parte 
superior do filtro, com a finalidade de dissolvera sacarose que ainda se faz presente. Após 
a segunda pulverização de água inicia-se a fase de secagem da torta, que constitui-se na 
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fase final da filtração. Ao se aproximar do raspador cessa-se o vácuo e a torta é raspada, e 
depositada sobre uma esteira que a conduz a uma bica que dá acesso ao veículo 
transportador, responsável pelo seu transporte e amontoa no campo, quando sofrerá 
processo de humificação antes de ser incorporada ao solo como fertilizante. A quantidade 
média de torta de filtro produzida nas usinas brasileiras é da ordem de 35-40 kg por 
tonelada de cana, com as seguintes características: umidade (65 a 80%), pol (0,5 a 1,5%), o 
que representa de 0,1 a 0,4% do açúcar da cana, altos teores de Ca e P, baixos teores de K. 
 Duas frações de caldo são extraídos pela filtração a vácuo. Inicialmente, quando a 
única superfície filtrante é a tela do filtro (100 a 115 perfurações -  = 0,5mm - por cm2), 
obtém-se o caldo turvo. Contudo, tão logo ocorra a retenção das primeiras porções de torta 
à tela do filtro, essas passam também a desempenhar a função de camada filtrante, 
resultando na obtenção de caldo claro. As duas frações são reunidas e retornam aos tanques 
de caleagem, retornando os açúcares do lodo no processo. 
 
 
Figura 5.14. Visão esquemática lateral do filtro rotativo a vácuo tipo 
Oliver. 
 
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Figura 5.15. Filtro rotativo a vácuo. Detalhe da torta se despendendo 
da superfície filtrante pela ação do raspador. 
 
 
 
 
 
Figura 5.16. Carregamento de torta de filtro em caminhão basculante.