A safra da cana-de-açúcar se dá de modo sazonal, podendo ser plantada em três épocas diferentes: os sistemas de ano-e-meio, ano e plantio de inverno. Para o sistema de ano-e-meio, a cana é plantada entre janeiro e março(na estação de verão para garantir uma temperatura e umidade boas para a brotação rápida), tendo seu desenvolvimento e crescimento até 8 meses.[42] Após isso, a cana inicia a sua maturação até completar 16 a 18 meses. No sistema de ano, a cana poderá ser plantada de outubro a novembro, no entanto apresenta algumas desvantagens, como a menor produtividade que a do sistema de ano-e-meio e o pouco tempo para o preparo do solo.[42] Por fim, no sistema de plantio de inverno, utiliza-se a torta produzida durante o processo produtivo, a fim de garantir uma plantação com umidade suficiente para esses períodos de estiagem.[42]

Para o início da colheita da cana-de-açúcar, é necessário também saber se a cana chegou no ponto de maturação adequado. Para isso, utiliza-se um refratômetro de campo, equipamento que fornece a porcentagem de sólidos solúveis do caldo(Brix), que tem relação com a quantidade de sacarose dentro da cana. Com isso, faz-se uma análise a partir da fórmula: [43]

Com isso, calcula-se IM, e, se 0,85 < IM < 1, a cana estará madura e pronta para a colheita.[43]

Antes de sair dos canaviais, é montado um programa de cortes baseado na maturação da cana a ser colhida [12]. A partir disso, áreas da lavoura selecionadas para o corte e a partir disso é feita a colheita da cana. O corte é feito tanto manualmente quanto através de colhedeiras, sendo que cada processo representa cerca de 50% da cana colhida[12].  A partir daí, a cana é transportada da lavoura até a indústria, onde se iniciará o processo de moagem.

Chegando na usina, a cana é pesada uma balança para controle de matéria-prima na indústria e posteriormente é encaminhada para uma mesa alimentadora,que regula o fluxo de entrada de cana na indústria, onde irão ocorrer três processos iniciais: a lavagem, o processamento e o início da moagem.

A lavagem é feita a partir do uso de uma corrente contínua de água, sendo essa uma das etapas que mais demandam água em todo o parque industrial, com uma utilização de 0,7m3 a 12,2m3 por tonelada de cana[13]. Seu intuito é a remoção do material grosseiro, que chega a atingir até 10% do peso da matéria prima[13]. Novas tecnologias de lavagem a seco baseado em jatos de ar estão sendo implementadas para evitar a perda de sacarose com o uso da água.[10]

O processamento da cana é iniciado a partir de um equipamento de corte, composto por um conjunto de facas rotativas que operam a uma velocidade de 60m/s, e tem como finalidade aumentar a densidade da cana,além de diminuir seu tamanho, preparando-a para o desfibrador.[11] Após chegar no desfibrador, ela é pulverizada a partir de martelos oscilantes que giram no sentido contrário à esteira, e as células que contém os açúcares são abertas [11],facilitando o processo de extração destes. A velocidade dos desfibradores pode chegar a 90m/s. Nessa etapa, pelo menos 82% das células devem estar abertas para uma boa extração na moenda. [10]

Esse processo inteiro até antes do início da moagem apresenta transferência de massa e de momento.

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A extração do caldo é o processo pelo qual se separa um caldo rico em sacarose das fibras da cana, conhecidas como bagaço. Ele pode ser realizado de duas formas: através da moenda ou através da difusão.

Extração através da moenda:

Após passar por picadores e desfibradores, que ajudam na ruptura das células e na liberação do caldo, a cana é levada, por meio de esteiras para as moendas, passando por eletroímã que retira qualquer resíduo metálico que possa danificar o equipamento da cana.

As moendas são conjuntos de 4 ou 5 ternos compostos de rolos que esmagam a cana para a extração do caldo por meio da

pressão mecânica.

A cana passa, em sequência, pelos ternos. No primeiro terno, é recolhido um caldo rico em sacarose. Já nos ternos seguintes, são recolhidos caldos menos concentrados, com mais água.

Para aumentar a eficiência da extração, pode ser realizada a embebição, que seria a adição de água (embebição simples) ou caldo (embebição composta) ao bagaço da cana nos ternos. No caso da embebição composta, adiciona-se o caldo de um terno no terno anterior. [14]

O caldo, então é levado para ser tratado, e o processo continua.

A extração através da moenda possui uma eficiência de até 97%, que pode variar conforme o número de ternos, a embebição, a qualidade da cana, entre outros fatores. Trata-se de um processo físico, sem reações químicas envolvidas.[15]

Extração através da difusão:

Nesse processo, a cana também é moída, para auxiliar no rompimento de suas células, até feixes fibrosos de 10 ou 15 cm de comprimento. Esses feixes são levados até equipamentos conhecidos como difusores. [16]

Nos difusores, a cana é submetida a uma lavagem (lixiviação) em contra-corrente. O soluto, então, que no caso é a sacarose, passa do meio de maior concentração (células da cana) para o meio de menor concentração (caldo da corrente), ocorrendo, assim, a difusão. 

Para aumentar a eficiência do processo, podem ser realizadas operações de retorno. Nessas operações, o bagaço do qual já foi extraído o caldo e, portanto, encontra-se quase sem sacarose, é lavado com água, e o caldo obtido com um pouco de sacarose é usado na lavagem anterior, e assim sucessivamente. 

O difusor opera com uma temperatura de aproximadamente 70°C, auxiliando na difusão e contribuindo para a eliminação de possíveis microrganismos presentes no caldo. [3]

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A eficiência da extração por difusão é de cerca de 98,5%[15], e o equipamento gasta menos energia do que as moendas. No entanto, trata-se de uma técnica mais nova, e, portanto, a grande maioria das usinas produtoras de açúcar, no Brasil, realizam a extração do caldo através da moenda. No processo da extração por difusão, não ocorrem reações químicas, predominando os fenômenos da difusão e da lixiviação. [15]

Fenômenos envolvidos: 

Moendas: transferência de massa e de momento

Difusores: transferência de momento, massa e de calor

Entra: Cana moída

Saem: Bagaço (pode ser utilizado na geração de energia), caldo rico em sacarose (vai para a próxima etapa).

A composição do caldo de cana é de 80 a 85% de água; 10 a 19% de sacarose; 0,3 a 2,5% de açúcares redutores, glucose e frutose; 0,8 a 1,5% de não açúcares, dentre eles ácidos orgânicos, nitrogenados, amidas, amidas ácidas, e substâncias corantes. Em menor quantidade há matérias minerais, graxas, ceras, resinas, gomas e pectinas. [17]

Após a extração, o caldo misto é encaminhado da corrente 6 para tanques nos quais ocorrerão os processos de tratamento do caldo-de-cana, pois ainda possui algumas impurezas, tais como terras, bagacilho e materiais corantes. Tal etapa procura incrementar a qualidade do produto. Dentre as características de um produto final de qualidade, destacam-se a cor, pequena fração de cinzas e de resíduos insolúveis.[18]

Além disso, o tratamento do caldo misto, uma das principais etapas da produção de açúcar, também objetiva evitar a inversão (hidrólise) de sacarose, aumentar o teor de sacarose, produzir um mínimo volume de lodo e consequentemente de torta de filtro, dentre outras finalidades. [18]

A inversão da sacarose é o processo de hidrólise da molécula de sacarose do açúcar, que se divide em glicose e frutose. A sacarose representa o açúcar não redutor, enquanto as outras moléculas são os chamados açúcares redutores. Procura-se evitar que haja tal reação de inversão na indústria sucroalcooleira porque os açúcares redutores têm propriedades que causam efeitos indesejáveis no produto final, relacionados à cor, colóides, e morfologia dos cristais, que diminuem a qualidade do alimento.[38]

A hidrólise é favorecida em situações de altas temperaturas, muito tempo de residência da solução em um mesmo processo e valores extremos de pH, portanto, busca-se sempre na indústria um minucioso controle de tais parâmetros, de modo a garantir a qualidade e nutrientes do produto final.[38]

Inicialmente, o caldo que chega pela corrente 6 passa por um tratamento primário com peneiras e equipamentos como cush-cush e hidrociclones, cujas eficiências variam de 70 a 85%, para que as maiores impurezas e aquelas chamadas de insolúveis, como areia, argila e bagacilho, sejam removidas. O objetivo aqui é, além de melhorar a qualidade do caldo, contribuir para a preservação da vida útil dos equipamentos utilizados no processo de produção, reduzindo o entupimento e desgastes de válvulas e bombas. Tem-se informações de que os teores dos materiais filtrados nesta etapa são de 0,1 a 1,0%.[19]

As peneiras cush-cush, por exemplo, auxiliam a retirar do caldo as impurezas em suspensão. Para que haja reaproveitamento do bagacilho retido em suas várias peneiras fixas e assim um aumento da eficiência da produção, tal material retorna às moendas para passar por uma nova etapa de moagem. O equipamento, portanto, localiza-se próximo à moenda para facilitar o transporte de substâncias.[5]

Após o tratamento inicial com peneiras, o caldo ainda necessita passar por outros processos para que sejam eliminadas as impurezas solúveis e coloidais que persistem em sua composição. Em tais etapas, observa-se a coagulação e precipitação de tais sólidos por sedimentação, como na decantação, e há um minucioso controle do pH para garantir que não haja a inversão da sacarose. O primeiro desses processos, que envolve a mudança da acidez do meio, é a sulfitação, que trabalha com valores do pH entre 4,0 e 4,5%[19]

A sulfitação consiste no acréscimo de SO2 gasoso ao caldo de cana, proveniente da corrente 8, e de composição prática de 6 a 14% SO2, produzido pela própria usina por meio da queima do enxofre de pureza >95%, em presença de gás oxigênio, conforme a reação: S + O₂ → SO₂ + 70,2kcal

O acréscimo de Ca(OH)₂ ao caldo, a partir da corrente 9, tem por objetivo assegurar a cor desejada para o caldo que formará o açúcar branco cristal, neutralizar ácidos orgânicos e formar produtos que floculam as impurezas coloidais restantes. A quantidade de leite de cal depende da qualidade do caldo produzido e da cal virgem utilizada, mas em geral, para cada tonelada de cana, consome-se de 500 a 1000 g de CaO no processo de caleagem. [19]

Após a alcalinização com leite de cal, aquece-se o caldo para aumentar a velocidade da decantação que separará o precipitado do caldo clarificado, além de diminuir novamente a viscosidade do caldo. O líquido é aquecido em aquecedores verticais ou horizontais, em equipamentos que se chamam trocadores de calor casco-tubo. Esse aquecimento chega à temperaturas próximas de 105ºC, acelerando o processo de floculação de coloides e não açúcares proteicos. Além disso, tem característica emulsificante de graxas e ceras, que apresentam concentrações menores que 0,5% no caldo. Após o aquecimento o caldo é levado para a próxima etapa, a decantação. [19]

Na decantação, após tratamentos químicos e térmicos, purifica-se o caldo por meio da remoção das impurezas floculadas e sedimentadas, a partir da ação da gravidade. O caldo é deixado no decantador de 15 minutos a 4 horas, valor que varia muito a depender do equipamento utilizado, que se caracteriza por ser grande, a ponto da velocidade de escoamento do caldo por suas várias bandejas, que aumentam a superfície de contato do produto com o equipamento, ser lenta, promovendo assim a decantação. O caldo-de-cana decantado é retirado na parte superior de cada bandeja e enviado ao setor de evaporação para que aumente sua concentração e teor de sacarose no produto, por meio da corrente 11. [19]

As impurezas que são sedimentadas, de maior densidade, possuem uma concentração de sólidos de aproximadamente 10º Brix (porcentagem dos sólidos solúveis em solução de sacarose, ou seja, teor de sacarose) [4] e constituem o lodo, retirado então do decantador pelo fundo e enviado por bombas ao setor de filtração para que se recupere parte do açúcar que há em sua composição. A quantidade de lodo obtida representa de 15 a 20% da massa do caldo que entra no decantador. [19]

No processo de filtração das borras, o lodo proveniente do decantador, de teor de sacarose próximo a 2%, é adicionado a 3 - 5 kg de bagacilho/tonelada de cana, que auxiliará a filtração, e após essa adição, a mistura é enviada para os filtros rotativos à vácuo, ou para filtros prensas. Como já abordado anteriormente, a filtração visa recuperar o açúcar contido no lodo, possibilitando que retorne ao processo na forma de caldo filtrado. O material retido no filtro recebe o nome de torta, sai do sistema pela corrente 10, não passa de 1% da quantia de açúcar do processo, e é enviado à lavoura para ser utilizado como adubo. [19]

Alguns nutrientes oriundos da sacarose podem ser perdidos na etapa da filtração do lodo, em razão da grande quantia de materiais insolúveis na torta, que acabam por diminuir a eficiência da filtração. Outras perdas podem acontecer em decorrência de vazamentos e respingos, além da possível inversão de sacarose, predominantemente nos processos posteriores ao tratamento do caldo, como a evaporação e o cozimento [39].

O caldo parte para o processo de evaporação, depois de passado pelo tratamento, nutrido em grande parte de sacarose e água. [18]. Ao final do tratamento, a pureza do caldo alcançada é de 80% e além disso a eficiência do processo como um todo é de 99%. [21]

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EVAPORAÇÃO

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A evaporação do caldo de cana ocorre após uma pré-evaporação do caldo clarificado e tem por objetivo a retirada do excesso de água do caldo - estimada inicialmente em 80% do peso do caldo -, para que o mesmo seja transformado em xarope, estando assim pronto para o cozimento. Essa etapa pode ser realizada por meio de Evaporação em Múltiplos Efeitos e é a etapa produtiva que mais consome energia em forma de calor na produção do açúcar cristal [22].

A pré-evaporação é responsável por elevar o caldo clarificado de aproximadamente 15o Brix até 25o Brix, a uma temperatura que pode variar de 115oC a 120oC [23]. Após este passo, o caldo de cana está pronto para a evaporação, onde será novamente elevado de 25o Brix a uma faixa entre 60o Brix e 70o Brix [24]. 

O múltiplo efeito se dá pois o caldo da cana encontra-se em tubos, onde entra em contato com o vapor de escape das turbinas e é aquecido, formando o vapor vegetal que vai aquecer o evaporador seguinte. Ao final dessa etapa, há a saída do vapor e da água extraída, já o xarope é encaminhado para o cozimento, agora somente com 40% de água em sua composição.

Conversões das reações envolvidas: Nessa etapa não há reações químicas, somente a separação física do caldo clarificado e da água.

Pureza das matérias primas: Pureza do caldo clarificado é de 80%, após a evaporação a pureza do xarope é de 85%[25].

Fenômenos envolvidos: Transferência de massa e transferência de calor

Composição da corrente: Entrada - caldo clarificado (contendo água, açúcares e sais minerais) - vapor de escape; Saída - xarope concentrado[26] - vapor - água.

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SUPERSATURAÇÃO

Descrição:O xarope obtido com a evaporação deve passar por um processo de cozimento em evaporadores de simples efeito até atingir sua supersaturação. A supersaturação é o estado de uma solução que possui mais soluto do que o solvente é capaz de dissolver. O ideal nesse processo é que ele ocorra com a menor supersaturação possível, pois um aumento pode ocasionar a formação de grãos indesejados [40]. Essa supersaturação, entretanto, é necessária para a formação dos cristais de açúcar, finalmente transformando o xarope líquido em uma estrutura sólida [2].

Para a cristalização ocorrer, é necessária também uma agitação da massa cozida, de modo ocorra uma transferência de movimento entre as moléculas [27]. Isso ocorre nos tanques de cristalização - a uma temperatura baixa que pode variar entre 40 e 55oC -, de um modo que impeça a formação de uma só massa sólida e, sim, a formação dos pequenos cristais. Após a cristalização, o produto é resfriado e mandado para a centrifugação.

Rendimento: Para um grau de pureza inicial de 85%, o rendimento é dado por 52,9% [16].

Pureza das matérias primas: O xarope após a evaporação possui um grau de pureza de aproximadamente 85%, enquanto a massa cozida apresenta uma pureza de 75%.

Fenômenos envolvidos: Transferência de movimento, calor e de massa

Composição da corrente: Entrada - xarope; saída - massa cozida.

Centrifugação: 

   A centrifugação tem como objetivo separar os cristais de açúcares encontrados na massa cozida, então, basicamente, nesse processo usa-se a força centrípeta para retirar o mel contido nessa massa. 

   Essa etapa pode se dar em dois equipamentos diferentes: a centrífuga contínua e a descontínua. Em geral seus formatos são cestos grandes suspensos por um eixo ligado a um motor elétrico. Em ambas ocorre a introdução da massa cozida no cesto e a separação centrífuga sobre as telas de filtração, de forma que o mel obtido atravesse a tela e os cristais sejam retidos nela devido a força de rotação. Entretanto, a diferença entre elas são as seguintes: 

-A centrifuga continua opera com a descarga contínua dos envolvidos, que serão lavados uma única vez após a separação

- A centrífuga descontínua, também chamada de intermitente, funciona com duas lavagens depois da centrifugação, uma com água, que sai o mel pobre, e depois há outra lavagem com vapor, que sai o mel rico. [28]

   Dessa forma, percebe-se que nessa etapa a água também é uma substância importante, pois a centrifugação não é suficiente para retirar a película do mel presente nos cristais, porém a quantidade de água deve ser controlada para não dissolver o açúcar. Além disso, a água influencia na cor, no tempo de centrifugação e na temperatura do produto. Nesse sentido, a centrífuga descontínua é ideal para o açúcar cristal branco, visto que a maior taxa de lavagem resulta numa cor mais clara.

   Um outro ponto interessante a ser levantado, é que mesmo a diferença inferida nos nomes dos equipamentos remeter na diferença entre os processos, a centrifugação em ambos é um processo em batelada, pois durante essa etapa não há saída ou entrada de matéria nas fronteiras. Seguindo essa análise, o fenômeno envolvido nessa etapa é a transferência de massa, já que envolve a separação dos cristais da massa.

Secagem:

  O açúcar obtido da centrifugação apresenta altas temperaturas, cerca de 56 e 60 graus, e também alto teor de umidade, por volta de 0,5% a 2%, o que não é uma condição propícia para o ensacamento, pois pode desenvolver microorganismos que deterioram o açúcar. Sendo assim, o ideal, para o açúcar branco, seria a umidade na faixa de 0,04% e 0,07%, e a temperatura abaixo de 40 graus, caso for acima no ensaque resultará o amarelecimento e empedramento do açúcar.[29]  Dessa forma, ocorre a etapa da secagem, com a secagem e o resfriamento do produto, para por fim o açúcar ser armazenado. Nesse sentido, percebe-se que nessa etapa o fenômeno envolvido é a transferência de massa e calor.

  Existem dois tipos de secadores convencionais, o horizontal e o vertical, que esquentam o ar a fim da  queda da umidade e posteriormente resfriam de acordo com a temperatura ambiente para o açúcar ser ensacado. Contudo, em cenários onde a temperatura ambiente é muito alta, utiliza-se o secador com exaustão central e chiller, que apresenta um sistema capaz de resfriar abaixo da temperatura ambiente.

Armazenamento

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Após o processo completo de produção do açúcar, ele estápronto para seguir para a etapa de armazenamento e transporte. Logo após a secagem,o açúcar será pesado e armazenado, podendo ser um armazenamento a graneltemporariamente em silo para depois ser ensacados em sacos de 50kg ou bigbags,ou exportados diretamente dos silos.[2]

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No processo da armazenagem, o maior risco associado aocomprometimento da qualidade do açúcar é a relação entre o produto e a umidadeque o envolve. Isso se deve ao processo de aceleração da quebra de polarização,que é a causada majoritariamente pelo excesso de umidade, podendo ser causadatambém por impurezas como açúcares redutores e microrganismos [2]. Por isso, oarmazém deve ser majoritariamente impermeável, com pisos com materiais poucopermeáveis, como o asfalto, e com paredes impermeabilizadas até pelo menos onível do solo; e, para evitar contato com fontes de umidade externa, não devemhaver janelas e devem haver poucas portas [2]

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Além disso, vale denotar um importante fenômeno frutoda reação entre os cristais de açúcar e a umidade: a formação de uma películade mel que envolve os cristais. Essa película é o resultado de uma interação entreuma camada umidade superficial dos cristais com o açúcar dissolvido dessa camada.[3]O equilíbrio dessa camada é um dos fatores determinantes de um açúcar de altaqualidade. Diante disso, podemos definir dois fenômenos que ocorrem a partir daflutuação de equilíbrio dessa película: quando há transferência de água do arpara a película de mel, diz-se que o açúcar “mela”. Por outro lado, quandoocorre migração de umidade da película de mel para o ar, o mel ficarásupersaturado e haverá cristalização e a consequente “soldagem” entre oscristais, ou seja, o chamado “empedramento”. [1]

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CUSTO DE PRODUÇÃO DO AÇÚCAR

Através de estudos comparativos entre os produtores de açúcar do Centro-Sul do Brasil, foi possível estabelecer uma média para o custo de produção do açúcar, girando em torno de R$103,00 por tonelada do produto final.[41] Como a nossa empresa possui uma capacidade produtiva de 28497,404 kg/dia (o equivalente a 28,497404 t/dia), o custo de produção total é de R$2.935,23 por dia.