ENGENHARIA

E

TECNOLOGIA

AÇÚCAREIRA

Departamento Engenharia Química

CTG - UFPE

2006

ENGENHARIA

E

TECNOLOGIA

AÇUCAREIRA

Prof. Sebastião Beltrão de Castro

Profª. Samara Alvachian C. Andrade

Capitulo I

ENGENHARIA E TECNOLOGIA AÇÚCAREIRA

Matéria prima: a cana de açúcar

Do ponto de vista tecnológico, a cana-de-açúcar é da espécie “Saccharum

Officinarum”, compõe-se de fibra e de caldo.

O caldo que é extraído da cana tem composição variável, possui uma série de

fatores tais como:

Variedade de cana;

Clima;

Natureza do solo;

Adubação;

Irrigação;

Estágio de maturação;

Florescimento;

Sistema de despalha;

Sanidade cultural;

Condições e duração de armazenamento.

Cana-de-açúcar

A cana-de-açúcar, pertence a família das gramíneas e ao gênero Saccharum.

As canas nobres ou nativas, cultivadas em regiões tropicais e subtropicais do globo

até a introdução de variedades nascidas de semente, pertenciam todas a mesma

espécie: Saccharum Officinarum. Existem 4 espécies adicionais: s. berberie, s.

sinense, s. spontaneum e s. robustum.

A primeira conhecida como cana da Índia, muito dura e de pouco peso, que

juntamente com a segunda são utilizadas com o fim de cruzamento, devido a sua

alta resistência e imunidade às pragas.

As canas hoje cultivadas resultam da hibridação da espécie s. officinarum

com as outras espécies. As plantas de sementeiras são designadas por iniciais e

números, onde as iniciais indicam a origem e os números, o número de ordem do

cruzamento P.O.J. (Posto de Observação de Java); C.P. (Cana Point) – Co

(Coimbatore – Índia); D (Demerara – Guiana); P.R. (Porto Rico – E.U.); C.B.

(Campos Brasil); RB863129, RB 867515, RB 872552, RB 92759, RB 32520, RB

943365, RB 943538 e etc..

A formação de açúcar na haste da cana resulta de uma ação foto-sintética. A

cana é um acumulador de carbono, hidrogênio, oxigênio, energia solar, clorofila e

forças radioativas, por via de suas folhas e de toda riqueza orgânica e mineral do

solo, por via de suas raízes. É a cana-de-açúcar uma eficiente fábrica de

carboidrato. Ela é uma das maravilhas do reino vegetal, e o açúcar é o alimento

mais puro e energético da natureza, pois, não é nada mais nada menos do que a

“luz solar cristalizada”.

Cana de açúcar – Sob o ponto de vista tecnológico, a cana de açúcar compõe-se

de fibra e caldo.

O caldo que se extrai da cana, é a matéria prima da indústria açucareira, e

tem composição variável. Para que possa ter idéia desta composição o caldo

extraído de uma cana sadia possui a seguinte composição:

Água 75,0 – 82,0%

Sólidos totais dissolvidos 18,0 – 25,0%

Açúcares 15,4 – 24,0%

Sacarose 14,5 – 23,5%

Glicose 0,2 – 1,0%

Levulose 0,0 – 0,5%

Não açúcares 1,0 – 2,5%

Substâncias orgânicas 0,8 – 1,5%

Substâncias inorgânicas 0,2 – 0,7%

Pode-se considerar que um colmo normal de cana madura contenha 12,5%

de fibra e 88,0% de caldo. O colmo possui cerca de 25,0 % de partes duras,

representadas pelos nós, e cascas, e 75,0 % das partes moles constituídas pelas as

partes internas dos meritalos.

Nas partes duras, o teor de fibra se eleva a 25,0 %, e, portanto, e a proporção

de caldo abaixa para 75,0 % o que vale a dizer que mais ou menos 20,0 % do caldo

total do colmo acham-se encerrado nos tecidos dos nós e nas cascas (córtex ).

Por outro lado as partes moles compõem-se de 8,0% de fibra e 92,0% de

caldo de que se deduz que 80,0% do caldo total que está armazenado.

Concluímos que uma cana fornecerá um rendimento industrial tanto maior,

quanto mais grosso for o colmo e quanto mais espaçados forem os nós.

Composição da cana de açúcar

A composição da cana de açúcar varia entre países, entre regiões e nos

distintos anos em uma mesma zona. O percentual em peso de sacarose oscila de 10

a 16%, segundo a sua origem.

Por exemplo, na região açucareira da Argentina, 10% de sacarose na cana é

um percentual mais para alto do que para médio. Em Cuba, nos bons anos

agrícolas, um percentual entre 15 a 16%, não é difícil de ser constatado. Quanto a

sua composição é ainda função do clima, do solo, da pluviosidade, do tipo de cultivo,

da idade, da adubação e da variedade botânica da cana. Zerban isolou do caldo da

cana a asparagina, a glutamina e a tirosina. E essas, como outras substâncias

nitrogenadas, apresentam inconvenientes na elaboração do açúcar. Uma parte

dessas substâncias se dissocia durante o processo de fabricação, indo os ácidos

aspartico e glutânico se acumular nos méis, com a asparagina e glutamina não

decompostas.

A decomposição dessas amidas se deve ao desprendimento do amoníaco

durante a evaporação do caldo de cana. Uma análise completa da cana, levada a

efeito pelo Dr. Browne permitiu elaborar o seguinte quadro:

Dados de análise da cana %

Água 74,50

SiO2 0,25

K2O 0,12

Na2O 0,01

CaO 0,02

MgO 0,01

Cinzas 0,5

Fe2O5 Vestígios

P2O5 0,7

SO3 0,2

Cl Vestígios

%

% Celulose 5,50

Fibra 10,00 Pentosana (Xylan) 2,00

Araban 0,50

Lignina 2,00

Sacarose

Açúcares 14,00 Dextrose 0,90

Levulose 0,60

Albuminóides 0,12

Amidos (P.e.asparagina) 0,07

Corpos 0,40 Amido ácidos (a. aspártico) 0,20

Nitrogenados Ácido nítrico 0,01

Amoníaco Traços

Corpos Xânticos Traços

Graxas e ceras 0,20

Pectinas 0,20

Ácidos livres (a. málico) 0,08

Ácidos combinados (a. sucínico) 0,12

Componentes que aumentam com o crescimento e diminuem

com a maturação

Glicose ou Dextrose

Frutose ou Levulose

Clorofila

Amido

Substâncias corantes

Gomas

Ácidos orgânicos

Água

Componentes que aumentam com a maturação

Sacarose

Fibra

DextroseSubstancias nitrogenadas

Substancias minerais

Substâncias nitrogenadas

Nos estudos feitos por Browne, as canas ainda verdes apresentam um

mesmo teor de Dextrose e Levulose, mas quando as canas de aproximam de sua

maturação, a levulose diminui e às vezes desaparece, mas que irá aparecer no mel

final. Isso se deve a uma transformação isomérica da dextrose, quando soluções

quentes de sacarose são reaquecidas em meio alcalino, especialmente em presença

de sais de potássio.

O aumento da sacarose no período de maturação caracteriza-se pelo

decréscimo dos não-açúcares, ocasionando conseqüentemente um aumento na

pureza dos caldos.

A fibra aumenta com a maturação, o que é benéfico para a indústria, devido

ser usada como combustível.

As substâncias nitrogenadas durante o período de crescimento não são

albuminas coaguláveis pelo calor e a cal, o que vem explicar o motivo porque as

canas maduras clarificam melhor.

O conteúdo mineral é mais alto no período de maturação, primeiro porque

tendo terminado a maturação da cana, também terminou o armazenamento de

elementos minerais, acúmulo que faz e que não se perde durante todo período

vegetativo, e assim, encontramos mais fósforo, mais potássio, etc., na maturação,

do que no crescimento. Em segundo lugar, devido à concentração que existe no

período de maturação, em virtude da evaporação que se processa pelas folhas. As

substâncias corantes diminuem com a maturação. As canas maduras são um pouco

mais ácidas do que aquelas que se acham no período de crescimento, isto devido

ao aumento do ácido fosfórico.

Do que vimos, não apenas interessam desde o ponto de vista de fabricação o

teor de sacarose na cana, se não a relação desta com os sólidos e a quantidade dos

constituintes que possam ser prejudiciais à fabricação.

Daí porque, as usinas bem orientadas nos campos e nas fábricas têm sempre

seus canaviais, divididos em canas de maturação precoce e as de maturação tardia;

a fim de que possam elas ser moída no seu período ótimo de maturação.

Microflora da cana-de-açúcar

A cana-de-açúcar, S. Officinarum possui flora epifítica característica que

influenciou os microorganismos na fabricação de açúcar. Nos estudos levados a

efeito por Kuhr, há uns 40 anos, concluiu da incidência de microorganismos nas

canas, desde pequenas infestações nos cultivos nas montanhas a elevadas

concentrações naqueles cultivos nas partes baixas, naquela ocasião, o tipo de

bactéria encontrada era similar ao “bacillus herbícola aureum”.

Hutchinson e Lamayar isolaram da cana uma levedura da variedade

Saccharomyces Cerevidiae e uma espécie de aspergillus.

As canas danificadas pela Diatrene Saccharalis, segundo os estudos de

Mokaig e Fort tinham um percentual menor de sólidos e sacarose, um conteúdo

maior de não-açúcares orgânicos e índices maiores de constituintes minerais para

uma mesma variedade.

Também Iwata informou que as canas perfuradas e infestadas pela podridão

vermelha, que a acompanha continham mais nitrogênio que as canas normais.

Os estudos de Patrícia Mayeux demonstraram que as folhas enfermas das

hastes enfermas continham uma quantidade quatro a cinco vezes maior quantidade

de bactérias e fungos do que as encontradas nas folhas normais.

A moagem de canas doentes aumenta sensivelmente as bactérias e fungos

dos caldos extraídos.

A concentração de bactérias encontradas no pó do perfurados da cana, era

de 85 a 100 milhões de organismos por graus de amostra.

Isto demonstra o prejuízo da moagem de tais canas, além do decréscimo de

sua pureza. O efeito deteriorado desta micro-flora sobre o caldo extraído é de

grande significado. Nas experiências da Sra. Mayeux, a flora bacteriana que

procedia do 1º terno predominava o Aerobacter Aerogenes, bactéria do grupo

coliforme e muito semelhante a Escherichia Coli em suas características fisiológicas

e morfológicas. As concentrações encontradas por Mayeux, chegaram a níveis de

400 a 500 milhões, de Aerobecter Aerogenes.

Nas perfurações produzidas nas hastes das canas foi isolada uma bactéria

que fermentava a glicerina e como espécie nova foi chamada Bacterium Saccharalis.

Das investigações feitas por Mayeux, concluímos que tanto o Aerobacter Aerogenes

como o Leuconostoc, existiam nas terras próximas as touceiras ou corpos, e que, a

partir de 6” a 18” o índice de infestações decrescia muito.

Flecha de cana

A “Flecha da cana” ou o florescimento, que representa sem dúvidas o clímax

do processo de crescimento da planta, com vistas a perpetuação da espécie. Que

algumas variedades emitem o escapo floral antes de ter atingido o estágio na

maturação enquanto outros iniciam o florescimento quando já se passou o estágio

de maturação.

Partes da cana

Morfologicamente, a cana se compõe das seguintes partes:

Nós

Colmo internódios, internos ou meritalos

Parte aérea Folhas Gêmeos

Flores

Parte subterrâneaRaízes

Rizomas

A parte mais importante do ponto de vista da indústria de açúcar, é o colmo,

cujo caldo contido em suas células encerra a sacarose e outras substâncias.

Matéria estranha

Matéria estranha é o material que nem junto a cana e é entregue a Usina.

Esta matéria estranha também é chamada de impurezas.

O material estranho pode ser classificado em cinco categorias:

1. Material fibroso – Folhas secas; Ponteiros; Material em decomposição;

Raízes; Cana seca; Mato, capim;

2. Terra – Argila; Areia; Barro;

3. Rochas – Pedra; pedregulho

4. Metais

5. Água

Limpeza da cana

As etapas essenciais na limpeza da cana colhida por sistema mecânico são:

Aberturas do feixe – Para se obter boas limpeza recomenda-se um colchão

de cana com espessura de dois ou três colmos.

Remoção de pedras, seixos e areia. – Pedras seixos e areia constituem o

material prejudicial à cana colhida por colhida pelo sistema de apanho

mecânico para se ter uma separação aceitável esta só pode ser feita através

do sistema de lavagem da cana.. Este material poderá ser aproveitado em

aterros

Remoção das impurezas fibrosas – As impurezas fibrosas que são os

ponteiros, folhas e raízes é reduzida por meio de rolos eliminadores de

impurezas. Estas impurezas podem ser utilizadas nos canaviais.

Lavagem – A lavagem é iniciada na esteira de arrasto tipo taliscas. Utiliza-se

o principio de cascatas com grande volume de água adicionado no topo da

esteira utilizando um fluxo turbulento. A esteira de arrasto recomenda-se um

ângulo de 40º e velocidade mínima de 50 m / minuto. Também se usa mesas

alimentadores com ângulos de 45º e 50º para lavagem da cana jorrando

água no topo da mesa. O volume necessário de água para lavagem é na

ordem de 10 m³ por tonelada de cana hora.

Reutilização da água – A água turva ou usada recomenda-se passar por

um tratamento de limpeza de maneira igual ao da água limpa a fim de ser

reutilizada. Neste caso o volume de água limpa é na ordem de 4 m³ por

tonelada d cana hora.

Perdas nas limpezas – As perdas nas limpezas podem ser consideradas em

duas categorias: a – Perdas mecânicas – Perdas de canas, pedras, seixos,

areia, material fibrosa etc.. Estas perdas de açúcar são na ordem de 2% ou

mais. b – Perda de açúcar durante a lavagem da cana – A perda de pol

depende dos danos causados na cana durante o corte e o carregamento

mecânico. Estas perdas é na ordem máxima de 1%.a lavagem de cana.

Fotossíntese

As canas cultivadas nas regiões tropicais e semitropicais, para que a cana

floresça e metabolize a sacarose e outros açúcares monossacarídeos, são

necessários três fatores principais: calor, luz e umidade.

O açúcar da cana é um carboidratado de fórmula geral C12H22O11, é um

dissacarídeo que consiste de dois compostos monossacarídeo: D-glicose e D-

frutose. Os componentes monossacarídeos se condensam em grupos glicosídicos.

Estes dois grupos, que nos monossacarídeos livres mostram um equilíbrio de

configuração α e β, se fixam na molécula de sacarose em uma configuração α da

frutose; enquanto que a componente glicose está ligada na sua forma peronosidica

normal, a frutose mostra na molécula de sacarose uma forma normal furonosídica,

que não é observada na frutose livre. De acordo com essas circunstâncias, o nome

químico da sacarose – D – glucopiranosil – B – D – fruto furanosídio.

Nas plantas, os carboidratos (açúcares, amido e celulose), se formam por um

processo fotossintético de assimilação.

6 CO2 + 6 H2O + 675 Kcal = C6H12O6 + 6O2

Este processo se catalisa com a clorofila. O CO2 tomado do ar é equivalente

ao O2 cedido ao ar. A energia necessária, por moléculas de oxigênio formado,

corresponde pelo menos três quarto da luz alaranjada absorvida pela clorofila

Warburg, encontrou que apenas um quarto da luz é tomada por cada molécula de

oxigênio, formado, enquanto a outra energia necessária, para a síntese, é a energia

primeira tomada do processo de re-oxidação.

Esta formação ocorre nas partes verdes da planta, porém a sacarose se

encontra também nos talos, nas raízes e nos frutos.

A cana é realmente uma fábrica de carboidratos, por isso tem que admitir que

é uma maravilha do reino vegetal e que o açúcar é o alimento mais puro e mais

energético da natureza, por isso, não é nada mais, nada menos que a luz solar

centralizada. E, além disso, é comercialmente considerado o alimento barato..

Maturação

Para a industrialização da cana-de-açúcar, em bases racionais e econômicas,

torna-se imprescindível a determinação de sua maturação. Açúcares, água, sais

minerais, matéria orgânica, etc., são os componentes mais importantes, e dentre

estes, a sacarose se destaca em proporção, sendo ela a base para a determinação

da maturação. A sacarose se forma nos tecidos vegetais, em presença da clorofila e

sob a influência da luz, formam-se carboidratos de óxido carbônico e de água,

aumentando esse processo com maior intensidade da luz. Tem sido discutido o

curso do processo, quais os corpos se formam primeiro. A sacarose finalmente

formada passa ao colmo e se uma quantidade maior se forma, o excesso se

depositará em forma de amido, que se dissolverá, quando as condições forem

propícias, caminhando para o colmo em forma de dextrose. Os açúcares

provenientes de uma folha inferior entram no internódio (meritalo) correspondente,

sem sofrer modificações posteriores. Mas os açúcares que procedem de folhas

jovens, segue a parte superior do colmo, onde os processos de assimilação são

muito intensos, sofrendo por isso várias modificações. O armazenamento do açúcar

será tanto maior quanto mais normal e uniforme for o crescimento da planta.

Quando finalmente, a folha que corresponde a um internódio inferior, seca ou

morre, aquele meritalo não recebe mais açúcar, além de que flui dos internódios

superiores. Assim, a cana começa a amadurecer primeiramente a sua parte inferior,

sendo que a última a atingir esta etapa é a superior, mas antes que isso ocorra já a

parte inferior começa a mostrar um princípio de degradação da sacarose. Estes são

os fatores que devem determinar o momento mais indicado para o corte, tendo em

conta não apenas pureza da parte superior e inferior da cana, mas também o seu

peso relativo.

Dentro das condições normais de desenvolvimento, a maturação da cana-de-

açúcar é função direta de vários fatores, tais como, a umidade do solo, tratos

culturais, variedades, época do plantio, praga, moléstias, topografia do terreno,

variedades, etc.

Os dois primeiros exercem maiores influências, de vez que, os períodos de

intensa umidade e alta temperatura correspondem a aquela de maior atividade do

crescimento vegetativo, ocasião em que a cana não consegue armazenar açúcar,

pois este depende de sua atividade funcional. Somente quando cessa o crescimento

da planta, é que o teor de sacarose do caldo começa a se elevar, este fenômeno é

favorecido quando os fatores água e temperatura baixam, sendo que a água é o

fator mais importante.

É esta uma das razões pelos quais os caldos de canas mais ricas em

sacarose, são encontrados por vezes em regiões onde ocorrem estações climáticas

acentuadamente secas e relativamente frescas.

Para que uma fábrica possa obter alto rendimento, torna-se necessário que

se plante variedades de diferentes épocas de maturação: a) Maturação precoce; b)

Maturação média e; c) Maturação tardia.

Em regiões mais privilegiadas, no que diz respeito a regularidade

pluviométrica, uma mesma variedade botânica de cana-de-açúcar, poderá

apresentar uma maturação jovem ou tardia, segundo a época em que seja plantada.

Determinação da maturidade e do rendimento provável

Fazem-se três determinações refratométricas do Brix: inferior, médio e

superior.

Quando o Brix da parte média for tanto mais próximo da parte superior e

sendo este aqui nós da ordem de 18, indica do estado ótimo de maturação.

Exemplo:

Brix parte inferior da cana ou pé = 22Brix parte média da cana, ou meio

=18

Brix parte superior da cana = 17

Total = 57

Brix médio = 57/3 = 19

Para obtermos o rendimento provável da fábrica, base de 96 de Pol,

multiplica-se o Brix médio pelo fator da fábrica.

Esse fator que deve ser obtido para as canas grossas (aquelas de mais de 1”

de diâmetro).

O fator se obtém dividindo o rendimento da fábrica pela média de refração,

isto é Brix refratométrico do caldo do esmagador obtido durante uma semana.

Está claro que durante uma semana, deveremos moer canas grossas, e fator

de canas finas o Brix refratométrico médio deverá ser medido, também durante uma

semana moendo canas finas.

Exemplo: Brix refratométrico 19,00

Rendimento. Base de 96 de semana 11,97

O fator será 11,97/19 = 0,63

Aplicação do fator de Java na determinação do peso da cana

O fator de Java varia de 0,77 a 0,84, mas poderá atingir um índice mais alto,

desde que seja entregue a primeira pressão, um bagaço de maior coeficiente de

finura. Nas fábricas havaianas, onde além do ótimo trabalho de facas, se instalou o

desfibrador, o fator de Java atingiu até 0,90.

F.J. =Pol % na cana * 100Pol % caldo de 1ª pressão

Peso de cana-peso de extraída / (Pol % na cana – perda em bagaço % de cana).

Exemplo:

Fator de Java 0,80

Pol % caldo 1ª pressão 18,45

Toneladas de pol extraída 305,7

Fibra na cana (análise direta) 11,3

Fibra no bagaço (análise direta) 48,9

Bagaço % de cana 11,3 x 100/48,9 23,11

Pol % no bagaço 4,5

% de Pol na cana = 0,8 x 18,45 14,76

Perda em bagaço % de cana = 23,11 x 0,045 1,04

Aplicando a fórmula anterior, teremos:

Pesodacana= 305,76(14,76−1,04 )

∗100=2228tons .

Importância industrial do Leuconostoc

Nas espécies L. Mesenteroides e L. Dextranium tem adquirido uma

importância capital nesses últimos anos, como produtoras de Dextrana a partir do

caldo.

Este polissacarídeo alcançou a partir de 1948, na Suécia, um papel relevante

na preparação do plasma sanguíneo.

A dextrana clínica resultou ser melhor do que um substituto do plasma

sanguíneo, principalmente porque nem o sangue nem o plasma podem ser

esterilizados por calefação. Anteriormente se descobriu uma aplicação da Diana

quando foi utilizada como aditivo dos fluidos usados nas perfurações dos poços

petrolíferos, técnica na qual usava para inibir a perda de água nos poços de

perfuração.