UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPRITO SANTO CENTRO UNIVERSITRIO NORTE DO ESPRITO SANTO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS E COMPUTAO ENGENHARIA QUMICA

PRODUO INDUSTRIAL DE ETANOL A PARTIR DA CANA-DE-ACAR

SO MATEUS, 2010

2

SUMRIO1. 2. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. Resumo ..................................................................................................................... 4 Introduo ................................................................................................................. 5 Reviso Bibliogrfica.............................................................................................. 10 Corte da cana ....................................................................................................... 10 Transporte............................................................................................................ 10 Recepo de Cana ............................................................................................... 10 Estocagem ........................................................................................................... 10 Preparo de Cana .................................................................................................. 11 Extrao do caldo ................................................................................................ 11

3.6.1. Moagem ........................................................................................................ 11 3.6.2. Peneiramento ................................................................................................ 12 3.6.3. Embebio .................................................................................................... 12 3.7. Tratamento do caldo ............................................................................................ 13

3.7.1. Sulfitao ...................................................................................................... 13 3.7.2. Calagem ........................................................................................................ 13 3.7.3. Aquecimento, decantao e resfriamento ..................................................... 13 3.7.4. Pr-evaporao ............................................................................................. 14 3.7.5. Preparo do mosto .......................................................................................... 14 3.7.6. Preparo do fermento ..................................................................................... 14 3.7.7. Tratamento do fermento ............................................................................... 15 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. Fermentao ........................................................................................................ 15 Centrifugao do vinho ....................................................................................... 16 Destilao ........................................................................................................ 16 Desidratao .................................................................................................... 17

3

3.12. 3.13. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Armazenamento do lcool ............................................................................... 17 Fluxograma referente produo industrial de etanol .................................... 17

Metodologia de Clculo .......................................................................................... 18 Balanos de Massa .................................................................................................. 19 Balanos de Energia ................................................................................................ 27 Concluso................................................................................................................ 29 Referncias Bibliogrficas ...................................................................................... 30 Anexos .................................................................................................................... 31

4

1.

RESUMO

O etanol (CH3CH2OH), tambm chamado lcool etlico ou, simplesmente, lcool, largamente utilizado como combustvel, desinfetante domstico e solvente orgnico, alm de ser empregado na indstria de perfumaria e farmacutica. No Brasil, o etanol obtido atravs do processo fermentativo da cana-de-acar, e sua importncia destacada como combustvel de automveis, constituindo assim um mercado em ascenso para um combustvel obtido de maneira renovvel e o estabelecimento de uma indstria qumica de base, sustentada na utilizao de biomassa de origem agrcola e renovvel.

5

2.

INTRODUO

A cronologia das indstrias de acar e de lcool no Brasil inicia-se na poca do descobrimento. suposto que a produo de lcool iniciou na Capitania de So Vicente, uma vez que naquela regio foi montado o primeiro engenho de acar do pas em 1532. Transformava-se o melao residual da fabricao do acar em cachaa e, diretamente da garapa fermentada produzia-se aguardente. Por sculos, as bebidas destiladas foram o nico lcool produzido. Em meados do sculo XIV a indstria de etanol desenvolveu-se na Europa a partir do aprimoramento das tcnicas de fermentao alcolica, de destilao e de construo de aparelhos de destilao. No final desse sculo iniciou-se a produo de lcool etlico no Brasil, com as sobras de melao da indstria do acar, que ampliava sua capacidade produtiva. Utilizava-se o etanol para fins farmacuticos, para a produo de alguns produtos qumicos derivados, para bebidas e como fonte de energia trmica, por combusto, em algumas atividades. A I Guerra Mundial contribuiu para o desenvolvimento da produo em grande escala. Naquele perodo utilizou-se o lcool como combustvel lquido de motores a exploso. Em 1929 a grande crise internacional colocou em xeque as economias de todos os pases e, no Brasil, a indstria aucareira no ficou a salvo. Sobrava acar e cana e faltavam divisas para a aquisio de combustvel lquido. A primeira destilaria de lcool anidro foi instalada e o Governo Federal, em 1931, estabeleceu a obrigatoriedade da mistura de etanol gasolina, como medida de economia na importao de combustvel a para amparar a lavoura canavieira, contudo, por muitos anos no houve lcool suficiente para misturar a todo combustvel consumido. Durante a II Guerra Mundial, de 1939 a 1945, faltou gasolina e fez-se necessrio substitu-la por gasognio ou lcool. Terminada a guerra, voltou importao de gasolina e o combustvel alternativo perdeu sua importncia. Entretanto, continuou-se a misturar etanol gasolina em larga escala. A crise internacional do petrleo que se deflagrou em 1974, fez com que se iniciasse, no Brasil, uma nova fase na produo de etanol. Na busca de alternativas para combustvel lquido, o lcool adquiriu uma importncia sem paralelo atravs do plano de desenvolvimento da produo de lcool no Brasil, denominado de Prolcool; a partir dessa poca a gasolina combustvel passou conter 22% de lcool etlico em volume. Com a utilizao desse combustvel

6

alternativo, ampliou-se o parque canavieiro, fez-se a modernizao das destilarias anexas, a instalao de unidades autnomas, a criao de grande nmero de empregos diretos e indiretos e uma rpida e importante evoluo na construo de motores para esse combustvel. No entanto, com o abaixamento do preo do petrleo no mercado internacional, o etanol tornou-se mais uma vez coadjuvante no contexto dos combustveis. Na ltima dcada, devido ao alto preo da gasolina no Brasil, s incertezas da cotao do petrleo provocadas pelas turbulncias no oriente mdio, bem como crescente preocupao com a emisso de gases poluentes houve um aumento expressivo na indstria alcooleira nacional. Atualmente, a iniciativa privada responsvel por crescentes investimentos no lcool como combustvel e fonte energtica. O sucesso estrondoso do carro flex, cujo motor funciona com gasolina ou lcool, superou todas as expectativas. Na segunda metade da dcada de 2000, os automveis com motor bicombustvel j representava mais de 80% de toda a produo automobilstica, fruto de investimentos e avanos num contexto mundial de evoluo das questes ambientais acerca da busca e utilizao de fontes energticas mais limpas e renovveis. Ressaltam-se abaixo outras utilizaes do lcool etlico alm de combustvel: Na indstria farmacutica, na fabricao de insulina e outros medicamentos; Solues anticongelantes; Preservativos de mostrurios biolgicos; Agente de desidratao em fotografia anti-sptico Para corantes na fabricao de tintas para confeitarias e produtos alimentcios; Para diluir e clarificar na fabricao de tintas de avies, vernizes para madeiras e metais, esmaltes polidores de metais; Na fabricao de seda artificial, plsticos, adesivos, vidros; leos e ceras para polidoras de calados, leos minerais purificados para uso mdicos e lubrificantes,etc. Na Tabela 1 em anexo encontram-se valores da produo de etanol no Brasil desde 1990 at 2009 com os principais estados produtores discriminados. Na Tabela 2 em anexo encontram-se valores das exportaes de etanol do Brasil desde 2000 at 2009. A partir das tabelas 1 e 2 foram construdos os grficos 1, 2 , 3 e 4 expostos abaixo. Fazem-se ento as anlises pertinentes.

7

Produo Nacional de Etanol (bilhes de litros)30 28 26 24

2220 18 16 14 12 10 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

Grfico 1. Produo de etanol no Brasil - safra de cana-de-acar 90/91 at a safra 08/09

Produo Capixaba de Etanol (milhes de litros)300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

Grfico 2. Produo de etanol no Esprito Santo - safra de cana-de-acar 90/91 at a safra 08/09

8

Produo de Etanol por Estado (2008/2009)

PARAIBA ALAGOAS 1% 3% PERNAMBUCO 2% MATO GROSSO MATO GROSSO DO SUL 4% 4% GOIS 6% PARAN 7% MINAS GERAIS 8%

ESPIRITO SANTO 1% OUTROS 3%

SO PAULO 61%

Grfico 3. Produo de etanol por estado (%) - safra de cana-de-acar 08/09

Observando o grfico 1 percebe-se um grande aumento da produo nacional de etanol a partir do ano 2000, aps uma queda expressiva entre 1998 e 2000. O grfico 2 mostra um aumento crescente da produo capixaba de etanol desde 1990. Aps uma breve anlise do grfico 3 torna-se evidente a importncia do estado de So Paulo para a produo nacional de etanol, visto que este detm 61% da produo de lcool.

9

Exportao Nacional de Etanol (bilhes de litros)6 5 5 4 4 3 3 2

21 1 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Grfico 4. Exportao nacional de etanol - safra de cana-de-acar de 99/00 a 08/09

Analisando o grfico 4 perceptvel o crescente aumento da exportao de etanol desde 2000 at 2008. Comparando o volume de etanol produzido e exportado pelo pas na safra 2008/2009, calcula-se que 19% da produo nacional foi destinada ao mercado externo.

10

3.

REVISO BIBLIOGRFICA Detalham-se abaixo as vrias etapas da produo industrial de etanol atravs do processo

fermentativo da cana-de-acar, desde o corte da cana at a obteno do produto final. Vale ressaltar que aqui no Brasil so muito comuns indstrias sucro-alcooleiras, ou seja, que possuem unidades de produo de acar e etanol na mesma indstria, o que plausvel, visto que a matria-prima e parte da cadeia produtiva so idnticas, alm da possibilidade de se controlar a produo de acar e lcool de acordo com os preos do mercado. Contudo, nesta reviso bibliogrfica sero explicitadas apenas as etapas da produo do etanol, apesar da produo de acar ser citada esporadicamente.

3.1. Corte da cana Atravs do controle e planejamento dos canaviais, montado um programa de corte baseado na maturao da cana. Dessa forma, tem-se reas com cana plantada que vo estar prprias para o corte em momentos diferentes, o que permite seu manejo. Atualmente no Brasil o corte feito manualmente representa 50% da cana colhida e os outros 50% so colhidos por colhedeiras, e aps cada safra a porcentagem de cana colhida mecanicamente vem aumentando.

3.2. Transporte O transporte da lavoura at a unidade industrial feito por caminhes. Cada carga transportada pesa aproximadamente 16 toneladas. Hoje h caminhes com capacidade de at trs ou quatro carrocerias em conjunto, aumentando muito a capacidade do transporte. Depois de cortada e transportada para a Usina, a cana-de-acar enviada para a moagem, onde se inicia o processo de fabricao do acar e do lcool.

3.3. Recepo de Cana A cana-de-acar recebida na balana, pesagem e controle de matria prima na indstria.

3.4. Estocagem A matria prima descarregada na mesa alimentadora, atravs de descarregadores laterais, chamados Hillo, e tambm uma parte descarregada pelo mesmo processo, no depsito, o qual serve para estocagem de cana que ser processada durante o perodo da noite.

11

Esta cana transportada do depsito, para as mesas alimentadoras, atravs de pontes rolantes, equipadas com garras hidrulicas. A cana que chega unidade industrial processada o mais rpido possvel. Este sincronismo entre as vrias etapas do processo de fabricao muito importante, pois a cana uma matria prima sujeita a contaminaes e, conseqentemente, de fcil deteriorao.

3.5. Preparo de Cana Primeiramente, a cana lavada para retirar a terra proveniente da lavoura. A mesa alimentadora controla a quantidade de cana sobre uma esteira metlica que a transfere ao setor de preparo. O objetivo bsico do preparo da cana aumentar a sua densidade e, conseqentemente, a capacidade de moagem, bem como realizar o mximo rompimento das clulas para liberao do caldo nelas contido, obtendo-se, portanto, uma maior extrao. O sistema de preparo constitudo por um ou dois jogos de facas - dos quais o primeiro apenas nivelador - que prepara a cana a ser enviada ao desfibrador. O jogo de facas um equipamento rotativo de facas fixas, que opera a uma velocidade perifrica de 60m/s, e tem por finalidade aumentar a densidade da cana, cortando-a em pedaos menores, preparando-a para o trabalho do desfibrador. O desfibrador, por sua vez, formado por um tambor alimentador que compacta a cana sua entrada, precedendo um rotor constitudo por um conjunto de martelos oscilantes que gira em sentido contrrio esteira, forando a passagem da cana por uma pequena abertura (1 cm) ao longo de uma placa desfibradora. A velocidade perifrica dos desfibradores, de 60 a 90m/s, chega a fornecer ndices de preparo de 80% a 92%. Este ndice seria uma relao entre o acar das clulas que foram rompidas pelo desfibrador e o acar da cana.

3.6. Extrao do caldo

3.6.1. Moagem Na moenda, a cana desfibrada exposta entre rolos submetidos a uma presso de aproximadamente 250 kg/cm, expulsando o caldo do interior das clulas. Este processo repetido por seis vezes continuamente. Adiciona-se gua numa proporo de 30%. A isto se

12

chama embebio composta, cuja funo embeber o interior das clulas da cana diluindo o acar ali existente e com isso aumentando a eficincia da extrao, conseguindo-se assim extrair cerca de 96% do acar contido na cana. O caldo extrado vai para o processo de tratamento do caldo e o bagao para as caldeiras.

3.6.2.

Peneiramento

Todo caldo de cana, aps o esmagamento e moagem , passa por um conjunto de peneiras, os quais extraem palhas, bagacilhos (bagao fino) e parte das impurezas grossas. O caldo utilizado para a fabricao do acar obtido do primeiro esmagamento, o qual equivale em princpios, a 70% de todo o caldo contido na cana. Esta matria prima no passa pelo processo de embebio composto, o qual utilizado para lavagem da fibra, para remover toda a sacarose contida na cana.

3.6.3. Embebio O bagao resultante da extrao pela ltima moenda contm ainda uma certa quantidade de caldo constitudo de gua e slidos solveis. Apresenta no geral uma umidade mnima de 40 a 45%. Este caldo fica retido nas clulas que escapam ao esmagamento, entretanto adicionando-se certa quantidade de gua a esse bagao, o caldo residual fica diludo. Submetendo-se esse bagao assim tratado a uma nova moagem consegue-se aumentar a extrao do caldo ou sacarose. A umidade permanece a mesma, ocorrendo simplesmente a substituio do caldo original por certa quantidade de gua que se adicionou. Evidentemente o bagao torna-se menos aucarado. De uma extrao a seco, de um modo geral, a umidade do bagao aps a 1 moenda de 60%, aps a 2 de 50%, podendo chegar a 40% no ultimo terno. A prtica de se adicionar gua ou caldo diludo ao bagao entre uma moenda e outra com a finalidade de diluir a sacarose remanescente chamada de embebio.

13

3.7. Tratamento do caldo

3.7.1. Sulfitao O caldo misto resultante da moagem tem um aspecto verde escuro e viscoso; rico em gua, acar e impurezas, tais como: bagacilhos, areias, colides, gomas, protenas, clorofila e outras substncias corantes. Seu pH varia entre 4,8 a 5,8. Este caldo ento aquecido de 50 a 70 C e bombeado para o sulfitador para ser tratado com SO2. O gs sulfuroso age no caldo como purificador, neutralizador, descorador (decantao) e preservativo.

3.7.2. Calagem O caldo depois de sulfitado encaminhado para o tanque de calagem, recebendo leite de cal, at pH 7,0 7,4. de mxima importncia adicionar a cal, com maior exatido possvel, pois se a quantidade adicionada for insuficiente o caldo permanecer cido, e, consequentemente, ser turvo, mesmo depois de decantado, correndo ainda o perigo da perda de acar por inverso. Se a quantidade de cal adicionada for excessiva haver a decomposio de aucares redutores, com a formao de produtos escuros, que dificultam a decantao, a filtrao e a cristalizao, como tambm escurecem e depreciam o acar fabricado.

3.7.3. Aquecimento, decantao e resfriamento Aps passar adio de cal, o caldo aquecido e posteriormente decantado. A partir desse ponto realiza-se o resfriamento em duas etapas: Fazendo-se passar o caldo quente (esterilizado) por um trocador de calor (regenerativo) em contracorrente com o caldo misto frio, onde o caldo misto aquecido e o caldo para destilaria resfriado (=60C). Resfriamento final at aproximadamente 30C, normalmente realizado em trocadores de placas utilizando gua em contracorrente, como fluido de resfriamento. Livre de impurezas (areia, bagacilhos, etc.) e devidamente esterilizado, o caldo est pronto para ser encaminhado para fermentao.

14

3.7.4. Pr-evaporao Na pr-evaporao o caldo aquecido a 115C, evapora gua e concentrado. Este aquecimento favorece a fermentao por fazer uma "esterilizao" das bactrias e leveduras selvagens que concorreriam com a levedura do processo de fermentao.

3.7.5. Preparo do mosto O caldo quente que vem do pr-evaporador resfriado a 30C em trocadores de calor tipo placas, e enviado s dornas de fermentao. No preparo do mosto define-se as condies gerais de trabalho para a conduo da fermentao como, regulagem da vazo, teor de acares e temperatura. Densmetros, medidores de vazo e controlador de Brix automtico monitoram este processo. O mosto nada mais que uma soluo de acar cuja concentrao foi ajustada de forma a facilitar a sua fermentao. Basicamente constitudo de uma mistura de mis e caldo, com uma concentrao de slidos de aproximadamente 19-22 Brix (o Brix a escala numrica que mede a quantidade de acar dissolvido na soluo).

3.7.6. Preparo do fermento O objetivo do preparo do fermento o de evitar uma fermentao irregular e de baixo rendimento, o que aconteceria caso o mosto simplesmente entrasse em contato com os microorganismos. Para o sucesso da fermentao, indispensvel que se adicione ao mosto um volume de microorganismos chamados de levedo, p-de-cuba ou fermento, de tal maneira que haja um bom desempenho do processo, j que esse uma funo da qualidade do fermento utilizado. Os fermentos mais utilizados so o prensado e o selecionado. O fermento prensado um agregado de clulas de Saccharomyces cerevisae e pode ser empregado em qualquer tipo de destilaria, sendo, por isso, o de maior uso. O seu preparo consiste em adicionar diretamente dorna 2,0 a 2,5 g de fermento por litro de mosto diludo aquecido a 30C. O objetivo de se usar mosto diludo para que se obtenha um bom crescimento celular. A seguir, coloca-se o mesmo volume de mosto aquecido at alcanar o volume final da dorna. Corta-se ento para outra dorna e assim sucessivamente. Quanto ao fermento selecionado, que constitudo de clulas de

15

Saccharomyces uvarum, tem as vantagens de apresentar tolerncia a maiores concentraes de acar e de lcool e a maiores temperaturas, o que resulta em maiores rendimentos.

3.7.7. Tratamento do fermento O processo de fermentao mais comumente utilizado nas destilarias do Brasil o de Melle - Boinot, cuja caracterstica principal a recuperao da levedura (tratamento do fermento) que j passou pelo processo fermentativo atravs da centrifugao do vinho (mosto fermentado). A levedura aps passar pelo processo de fermentao se "desgasta", por ficar exposta a teores alcolicos elevados. Aps a separao do fermento do vinho, o fermento a 60% diludo a 25% com adio de gua. Regula-se o pH em torno de 2,8 a 3,0 adicionando-se cido sulfrico que tambm tem efeito desfloculante e bacteriosttico. O tratamento contnuo e tem um tempo de reteno de aproximadamente uma hora. O fermento tratado volta ao primeiro estgio para comear um novo ciclo fermentativo; eventualmente usado bactericida para controle da populao contaminante.

3.8. Fermentao nesta fase que os acares so transformados em lcool. As reaes ocorrem em tanques denominados dornas de fermentao, onde se misturam o mosto e o p-de-cuba na proporo de 2:1, respectivamente. Os acares (sacarose) so transformados em lcool, segundo a reao simplificada de Gay Lussac: C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2 A fermentao contnua e agitada, consistindo de quatro estgios em srie, composto de trs dornas no primeiro estgio, duas dornas no segundo, uma dorna no terceiro e uma dorna no quarto estgio. Com exceo do primeiro, o restante tem agitador mecnico. No processo de transformao dos acares em etanol h desprendimento de gs carbnico e calor, portanto, necessrio que as dornas sejam fechadas para recuperar o lcool arrastado pelo gs carbnico e o uso de trocadores de calor para manter a temperatura nas condies ideais para as leveduras. A fermentao mantida entre 28 e 3OC. O mosto fermentado chamado de vinho. Esse vinho contm cerca de 9,5% de lcool. O tempo de fermentao de 6 a 8 horas.

16

Durante a reao, ocorre intensa liberao de gs carbnico, a soluo aquece-se e ocorre a formao de alguns produtos secundrios como: lcoois superiores, glicerol, aldedos, etc. Ao final deste perodo praticamente todo o acar j foi consumido, com a conseqente reduo da liberao de gases. Ao terminar a fermentao, o teor mdio de lcool nestas dornas de 7% a 10%, e a mistura recebe o nome de vinho fermentado. Devido grande quantidade de calor liberado durante o processo de fermentao e necessidade da temperatura ser mantida baixa (32C), necessrio realizar o resfriamento do vinho, circulando gua em serpentinas internas s dornas, ou em trocadores de calor, por onde o vinho bombeado continuamente com gua em contracorrente. Atualmente, este processo de fermentao realizado de forma descontnua ou contnua, em dornas abertas ou fechadas. Nestas ltimas, procede-se a lavagem dos gases de sada em uma torre de recheio para recuperao do lcool evaporado, por absoro deste em gua, que retornada ao processo.

3.9. Centrifugao do vinho Aps a fermentao a levedura recuperada do processo por centrifugao, em separadores que separam o fermento do vinho. O vinho delevurado ir para os aparelhos de destilao onde o lcool separado, concentrado e purificado. O fermento, com uma concentrao de aproximadamente 60%, enviado s cubas de tratamento.

3.10. Destilao A destilao processada em trs colunas superpostas. Nestas, o etanol separado do vinho, inicialmente com 7 a 10GL A primeira coluna de destilao alimentada com o vinho. Aps passar pela terceira coluna a soluo condensada em dois condensadores, de onde uma frao deste lquido (90% a 95%) retorna ao topo da terceira coluna e a outra retirada como lcool de qualidade inferior, com graduao de aproximadamente 92GL. Ao final da destilao obtem-se etanol hidratado a 96GL. As colunas tem por finalidade esgotar a maior quantidade possvel de lcool do seu produto de fundo, que denominado vinhaa. A vinhaa, retirada em uma proporo aproximada de 13

17

litros para cada litro de lcool produzido, constituda principalmente de gua, sais slidos em suspenso e solveis e utilizada na lavoura como fertilizante, sendo seu calor parcialmente recuperado pelo vinho em um trocador de calor. A sua graduao alcolica no deve ser superior a 0,03GL.

3.11. Desidratao O lcool hidratado, produto final dos processos de destilao e retificao, uma mistura binria lcool-gua que atinge um teor da ordem de 96GL. Isto ocorre devido formao de uma mistura azeotrpica, fenmeno fsico no qual os componentes no so separados pelo processo de destilao. Este lcool hidratado pode ser comercializado desta forma ou passar por processo de desidratao. Os mais utilizados so: Destilao azeotrpica, utilizando ciclohexano Destilao extrativa, utilizando Mono Etileno Glicol Desidratao por adsoro, utilizando Peneira Molecular

3.12. Armazenamento do lcool Os produtos, etanol hidratado e anidro, so quantificados atravs de medidores de vazo ou tanques calibrados e enviados para armazenagem em tanques de grande volume, situados em parques de tanques, onde aguardam sua comercializao e posterior remoo por caminhes.

3.13. Fluxograma referente produo industrial de etanol Segue em anexo a Figura 1 com o fluxograma simplificado para produo de etanol.

18

4.

METODOLOGIA DE CLCULO

4.1.Clculo dos balanos de massa e energia Os balanos foram feitos com base em dados histricos de indstrias do setor sucroalcooleiro obtidos da Unio da Indstria de cana-de-acar (UNICA), que a maior organizao representativa do setor de acar e bioetanol do Brasil. As 123 companhias associadas UNICA so responsveis por mais de 50% do etanol e 60% do acar produzidos no Brasil. Os dados da UNICA foram obtidos em conjunto com a CONSECANA-SP (Conselho dos Produtores de Cana-de-Acar, Acar e lcool do Estado de S. Paulo) que uma associao formada por representantes das indstrias de acar e lcool e dos plantadores de cana-de-acar, que tem como principal responsabilidade zelar pelo relacionamento entre ambas as partes. A base de clculo utilizada neste trabalho foi de 4080 t/dia de cana.

19

5.

BALANOS DE MASSA

Base de clculo: 4080 t/dia de cana-de-acar.

a) Setor de Extrao do Caldo - Moendas

20

Vazo de gua utilizada na lavagem da cana: 1000 t/h de cana-de-acar consomem 5000m/h de gua. ???????????????????????? = 4080 ?????? 5000 ??????/?????? ?????? = 20400 ??????/?????????????????? ?????????????????? 1000 ??????/??????

Vazo de gua utilizada na embebio da cana: 1000 t/h de cana-de-acar consomem 250 m/h de gua. ?????????????????????????????????????????? ?????? = 4080 ?????? 250 ??????/?????? ?????? = 1020 ??????/?????????????????? ?????????????????? 1000 ??????/??????

Vazo mssica de bagao gerada: 1000 t de cana-de-acar geram 250 t de bagao. ?????????????????????????????? ?????? = 4080 ??????/dia ?????? 250 ?????? = 1020 ??????/dia 1000 ??????

Vazo do caldo: Densidade do caldo de cana: 1,06 t/m3 1

???????????????????????????????????? = 20400 ??????/dia ??????

3 ?????? = 19245,30 ?????? / dia 1,06 3 ??????

21

b) Setor de Tratamento de Caldo

22

Vazo mssica de lodo: 100 t/h de caldo geram 27,25 t/h de lodo. ?????????????????????????????? = 4080 ??????/dia ?????? 27,25 ??????/?????? = 1111,8 ??????/dia 100 ??????/??????

Vazo mssica de torta de filtro: Frao de torta no lodo: 15%. ???????????????????????????????????? = 0,15 ?????? 1111,8 ??????/dia = 166,77 ??????/dia

Vazo mssica de filtrado: ?????????????????????????????????????????????????????? = ?????????????????????????????? ???????????????????????????????????? = 945,03 ??????/dia

Vazo mssica de aditivos qumicos: Para 1000 t de (caldo + filtrado) necessria 1 t de SO2. Para 1000 t de (caldo + filtrado) so necessrias 10 t de Cal. ?????????????????????????????????????????????????????? = ???????????????????????????????????? + ?????????????????????????????????????????????????????? ( 1 ?????? 10 ?????? + ) = 234,8 ??????/dia 1000 ?????? 1000 ??????

Vazo mssica de caldo clarificado: ???????????????????????????????????? _?????????????????????????????????????????????????????????????????? = ???????????????????????????????????? + ?????????????????????????????????????????????????????? ???????????????????????????????????? = 4148,03 ??????/dia

Vazo mssica de caldo retificado: BRIX do caldo clarificado: 14% BRIX do caldo retificado: 22% ???????????????????????????????????? _???????????????????????????????????????????????????????????? = 4148,03 ??????/?????????????????? ?????? 0,14 = 2639,65 ??????/?????????????????? 0,22

Volume de caldo clarificado: Densidade do mosto aps evaporao: 1,235 t/m3 ???????????????????????????????????? _???????????????????????????????????????????????????????????? = 2639,65 ??????/dia ??????3 ?????? = 2140 ?????? / dia 1,235 3 ??????

1

23

Vazo mssica de gua evaporada: ???????????????????????? _?????????????????????????????????????????????????????? = ???????????????????????????????????? _?????????????????????????????????????????????????????????????????? ???????????????????????????????????? _???????????????????????????????????????????????????????????? = 1508,88 ??????/??????????????????

c) Setor de Fermentao

No processo de fermentao alcolica contnua adotada, as converses assumidas em cada reator foram as seguintes: Reator 1: 0,58 Reator 2: 0,84 Reator 3: 0,96 Reator 4: 0,99

Essas converses foram adotadas com base em dados de indstrias do setor alcooleiro que operam com processo contnuo de fermentao com quatro dornas. O modelo cintico adotado por essas industriais o modelo sugerido por Lee et al (1983). Por meio desse modelo, foi calculado o volume de cada dorna do processo.

24

Equao para clculo dos volumes da dorna (baseado no modelo cintico sugerido por Lee et al ,1983): ?????? ?????? ?????? = ???????????????????????? 1 ?????? ?????? ????????????????????????

1

?????? ????????????????????????

??????

(

???????????? ?????? )( ) ?????? + ???????????? ???????????? ????????????

Parmetros cinticos da equao vlidos para temperatura de 32 C: Parmetros mx Pmx Xmx N M Yp/s Yx/s Em que: X = Concentrao de massa de clula (g/l) P = Concentrao de etanol (g/l) S = Concentrao de substrato (g/l) Ks = constante de afinidade ao substrato (g/l) Valores 0,41 l/h 103 g/l 100 g/l 3,0 1,0 0,445 0,033

Dados operacionais

Vazo de mosto = 2140 m3/dia Concentrao de ART no mosto = 183 g/l Vazo de reciclo = 1560 m3/dia Concentrao de lcool no reciclo = 15,2 g/l Concentrao de clulas no reciclo = 115,9 g/l

25

Volume reator 1 = 262,1 m3 Volume reator 2 = 236,3 m3 Volume reator 3 = 230,2 m3 Volume reator 4 = 283,4 m3

Concentrao de ART na entrada do reator 1: ???????????????????????????????????????????????? = ???????????????????????????????????????????????? = ???????????????????????????????????? _??????????????????????????????????????????????????????

?????? ???????????????????????? + ???????????????????????????????????????????????????????????? ?????? ???????????????????????? _?????????????????????????????????????????? ????????????????????????????????????????????????

2140 m3 /dia ?????? 183 ??????/?????? + 1560 m3 /dia ?????? 0 = 108,8 ??????/?????? 3600 m3 /dia

Concentrao de sada no reator 1: ?????????????????????????????? = ???????????????????????????????????????????????? ???????????????????????????????????????????????? ?????? ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? _1 ?????? ?????? 108,8 ?????? 0,58 = 45,7 ??????/?????? ?????? ?????? Etanol (g/l) 6,5867 32,19 44,08 49,576 50,683 Clulas (g/l) 50,223 51,786 52,512 52,847 52,915

?????????????????????????????? = 108,8

Estgio

ART (g/l)

Entrada 1 2 3 4

108,8 45,7 7,31 0,29 0,003

26

d) Setor de Destilao

Vazo de lcool hidratado:

GL do vinho = 15,5. GL do lcool hidratado= 96. ?????????????????????????????????????????? = ???????????????????????? ???????????? ?????? ?????????????????????????????? ???????????? ????????????????????????????????????????????????

?????????????????????????????????????????? =

2140 ??????3 / dia ?????? 15,5 ?????????????????????????????? ???????????? = 345,52 ??????3 /dia 96 ????????????????????????????????????????????????

27

6.

BALANOS DE ENERGIA Reao qumica: C6H12O6(s) 2C2H5OH(l) + 2CO2 (g) cH(C6H12O6(S)) = -2808 KJ/mol cH(C2H5OH(l)) = -1368 KJ/mol Para achar o H do CO2, consultou-se a tabela B.2 do Felder no qual: Cp = 36,11x10-3 + 4,233x10-5T 2,887x10-8T + 7,464x10-12T32?????? 36,11x10 25??????

H =

3 + 4,233x10 5T 2,887x10 8T + 7,464x10 12T

H = 36,11x10-3T + 2,1165x10-5T - 0,9159x10-8T +2,488x10-12T4 |2532 H = 1,1768 0,9158 H = 0,2609 KJ/mol Q W = Ek + Ep + H Ek = 0 Ep = 0 Q = H Q = Q=????????????????????????

H

??????????????????????????????????????????

H

2x0,2609 + 2x 1368 (2808)

Q = (72,5218) Clculo de : 1 mol de C6H12O6 --------180 g X --------4080x106x0,22 X = 4,98x106 mol/dia X = 57,71 mol/s

28

Substituindo a vazo molar, tem-se: Q = 57,71 x 72,5218

Q = 4185,23 KW

29

7.

CONCLUSO

Aps a realizao dos balanos de massas e de energia, encontrou-se que o calor gasto para realizao do processo Q = 4185,23 KW. ???????????????????????? = 20400 ??????/??????????????????, ?????????????????????????????????????????? ?????? = 1020 ??????/ ??????????????????, ?????????????????????????????? ?????? = 1020 ??????/dia, ???????????????????????????????????? = 19245,30 ??????3 / dia, ?????????????????????????????? = 1111,8 ??????/dia, ???????????????????????????????????? = 166,77 ??????/dia, ?????????????????????????????????????????????????????? = 4148,03 ??????/dia, 945,03 ??????/dia, ?????????????????????????????????????????????????????? = 2639,65 ??????/??????????????????, 234,8 ??????/dia, ???????????????????????????????????? _?????????????????????????????????????????????????????????????????? = = 2140 ??????3 / dia,

???????????????????????????????????? _???????????????????????????????????????????????????????????? =

???????????????????????????????????? _????????????????????????????????????????????????????????????

???????????????????????? _?????????????????????????????????????????????????????? = 1508,88 ??????/??????????????????. E por fim, o volume de etanol Vetanol = 345,52 ??????3 /dia.

30

8.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

Stios eletrnicos acessados entre os dias 28 de outubro e 18 de novembro de 2010:

AQUARONE, Eugnio; BORZANI, Walter; LIMA, Urgel de Almeida de;SCHMIDELL, Willibaldo; Biotecnologia Industrial: Processos Fermentativos e Enzimticos. 1 ed. So Paulo: Editora Edgard Blcher LTDA, 2001. p. 593 v.4, p.1-39 v.3.

FELDER, Richard M.; Princpios Elementares dos Processos Qumicos. 3 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. Apndice B

31

9.

ANEXOS

Tabela 1. Produo brasileira de etanol de 1990 a 2009 PRODUO BRASILEIRA DE ETANOLUnidade: Fonte: Elaborao: Nota: Fonte: Mil litros Unio da Indstria de Cana-de-acar/UNICA e Ministrio da Agricultura, Pecuria e Abastecimento/MAPA. Unio da Indstria de Cana-de-acar-UNICA Os dados da safra 2008/2009 para a Regio Norte-Nordeste referem-se posio final de 30/08/09.

ESTADOS/SAFRA ESPIRITO SANTO PARAIBA PERNAMBUCO ALAGOAS MATO GROSSO MATO GROSSO DO SUL GOIS PARAN MINAS GERAIS SO PAULO REGIO CENTROSUL REGIO NORTENORDESTE BRASIL

99/00 126.219 201.593 339.893 550.514 544.197 371.046 314.759 1.043.465 643.805 8.492.368 11.653.712 1.368.092 13.021.804

00/01 150.663 218.322 297.324 712.634 464.357 314.777 318.431 799.364 485.063 6.439.113 9.064.364 1.528.671 10.593.035

01/02 131.020 226.606 261.933 562.286 580.127 396.521 379.284 960.270 524.441 7.134.529 10.176.290 1.359.744 11.536.034

02/03 202.559 240.367 306.974 567.868 653.919 418.052 455.124 980.472 635.816 7.690.689 11.152.084 1.471.141 12.623.225

03/04 183.959 277.763 378.261 725.516 792.169 480.571 646.344 1.224.010 799.252 8.828.353 13.068.637 1.740.068 14.808.705

04/05 237.774 337.947 414.843 687.165 814.667 533.580 716.937 1.209.668 803.575 9.107.457 13.591.355 1.825.313 15.416.668

05/06 234.960 267.578 328.059 546.046 770.572 495.591 728.535 1.039.832 958.902 9.985.276 14.352.542 1.594.452 15.946.994

06/07 173.192 315.114 318.938 604.177 757.251 640.843 821.556 1.318.904 1.291.445 10.910.013 16.006.345 1.712.864 17.719.209

07/08 252.461 342.266 508.477 852.907 894.381 876.773 1.213.628 1.859.346 1.774.988 13.334.797 20.333.466 2.193.358 22.526.824

08/09 274.592 390.695 530.467 845.363 952.171 1.076.161 1.726.080 2.048.752 2.167.616 16.722.478 25.101.963 2.410.999 27.512.962

32

Tabela 2. Exportao nacional de etanol da ltima dcadaEXPORTAES ANUAIS DE ETANOL PELO BRASIL Unidade: Fonte: Elaborao: Fonte: quantidade - milhes de litros; US$/m Secretaria de Comrcio Exterior (Secex) Unio da Indstria de Cana-de-acar - UNICA

ANO CIVIL Brasil 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

VOLUME (milhes de litros) Centro-Sul 183,6 300,0 576,1 457,3 1.865,8 2.090,8 2.966,3 3.055,4 4.590,3 Norte-Nordeste 43,7 45,7 213,0 300,1 542,5 509,8 450,3 474,7 528,4 Brasil

PREO MDIO (US$/m) Centro-Sul 131,72 263,13 211,58 199,11 201,80 287,92 477,07 414,65 468,26 Norte-Nordeste 242,75 289,13 221,84 222,98 223,44 320,79 421,09 443,87 455,41

227,3 345,7 789,2 757,4 2.408,3 2.600,6 3.416,6 3.530,1 5.118,7

153,07 266,57 214,35 208,57 206,68 294,36 469,69 418,58 466,94

33

Figura 1. Fluxograma esquemtico simplificado para fabricao dos derivados do acar. Fonte: Indstria Santa Elisa - SP