Como o açúcar é extraído da cana-de-açúcar? Processo e Controles

O açúcar é extraído da cana-de-açúcar em duas etapas interligadas. Primeiro, um moinho abre as células do caule e separa o suco contendo sacarose da cana fibrosa por moagem de rolo com água de embebição ou por difusão. Em segundo lugar, a fábrica esclarece que o suco remove a água dos evaporadores, produz cristais de sacarose sob vácuo, separa os cristais em centrífugas e seca e resfria o açúcar bruto resultante. Uma refinaria pode então fundir novamente e purificar o açúcar bruto antes de cristalizá-lo novamente como um produto mais branco e de maior-pureza.

A sequência parece simples, mas cada operação altera uma variável diferente. A preparação expõe as células. A extração transfere material solúvel para o suco. A clarificação remove a matéria suspensa e precipitada enquanto tenta reter a sacarose. A evaporação aumenta a concentração-de sólidos dissolvidos. A cristalização move a sacarose da solução para uma fase cristalina sólida. A centrifugação separa os cristais do licor-mãe. A secagem e o resfriamento preparam os cristais para um manuseio estável. Tratar a linha como “pressionar, ferver e girar” esconde os controles que determinam a recuperação, cor, umidade, tamanho do cristal e perdas.

Siga o material, não apenas a lista de máquinas

Uma descrição útil do processo segue tanto a sacarose quanto a massa total. A cana entra com fibra, água, sacarose, açúcares redutores, minerais, solo e outras matérias não açucaradas. Após a extração, a maior parte do material líquido e solúvel deve estar no caldo misto, enquanto o bagaço carrega fibra, umidade e algum açúcar não recuperado. A clarificação cria um suco mais limpo e um fluxo separado de lama ou bolo de filtro. A evaporação remove a água como vapor e condensado, mas não deve remover deliberadamente a sacarose. A cristalização e a centrifugação dividem a massa cozida concentrada em cristais e licor-mãe. Estágios de fervura repetidos podem recuperar mais açúcar cristal antes que o licor-mãe final saia como melaço.

Esta visualização de fluxo evita dois erros comuns. Primeiro, “extração” na fábrica não é o mesmo que recuperação total da fábrica. Uma planta pode extrair uma elevada percentagem de sacarose para o sumo e ainda assim perder valor através da deterioração, lama de clarificação, inversão, arrastamento, fraco crescimento de cristais ou melaço final. Em segundo lugar, uma elevada massa de produto não é automaticamente uma elevada recuperação de sacarose. A umidade da superfície e o licor-mãe aderido acrescentam peso, mas podem reduzir a pureza, aumentar a cor ou prejudicar o armazenamento. O resultado deve ser avaliado numa base analítica definida.

1. Colher, Receber, Limpar e Preparar a Cana

O processo de fábrica começa antes do primeiro rolo. A cana cortada se deteriora, então o tempo da colheita-à{2}}moagem, a temperatura, os danos físicos e a atividade microbiana afetam o material entregue à usina. A descrição do processo de cana-de-açúcar da Agência de Proteção Ambiental dos EUA observa que a cana cortada se deteriora rapidamente e explica por que as usinas normalmente estão localizadas perto de áreas de cultivo.[1]Um registro de recebimento deve, portanto, conectar o peso da cana e a amostragem ao campo, fornecedor, horário de colheita, horário de chegada e lote. Uma estimativa visual de carga não pode substituir um bilhete de báscula e uma amostra representativa.

A limpeza remove tanta sujeira, pedras, folhas e outros materiais estranhos quanto o sistema escolhido exigir. O arranjo exato depende se a cana é queimada ou verde-colhida, cortada ou inteira-e se a lavagem a seco ou a lavagem se enquadram nos controles locais de água e efluentes. O excesso de solo adiciona carga morta, desgaste e cinzas. A lavagem excessiva pode adicionar água que os evaporadores deverão remover posteriormente. O objetivo não é um talo visualmente perfeito; é a remoção controlada de matéria que não deveria entrar no trem de extração.

Facas, picadores e trituradores reduzem e rompem o caule para que o equipamento de extração possa alcançar mais células que contêm o suco. O índice de preparação, a condição das partículas e a uniformidade da alimentação são mais importantes do que apenas os nomes das máquinas. A cana-mal preparada deixa as células inacessíveis. A alimentação mal controlada pode sobrecarregar o equipamento a jusante. A preparação também deve ser coordenada com o rendimento: abrir a cana cedo e deixá-la esperar cria um risco diferente de abri-la logo antes da extração.

2. Extraia o suco por moagem ou difusão

Um tandem de moagem passa a cana preparada através de diversas unidades de rolos pesados. A pressão expressa o suco, enquanto a água de embebição ou o suco diluído é introduzido nas moendas posteriores e se move em contracorrente à cana. Essa ação de lavagem recupera açúcar solúvel adicional da fibra. O suco misto emergente segue para tratamento; o material fibroso cada vez mais esgotado sai como bagaço. O relato do processo da EPA descreve moinhos múltiplos e embebição em contracorrente como características centrais da moagem de cana convencional.[1]

Um difusor usa um recipiente ou leito longo para lavar o material solúvel da cana preparada com o líquido movendo-se através da fibra, geralmente em um arranjo em contracorrente. A fibra descarregada ainda precisa de desidratação, muitas vezes através de prensas ou moinhos. A difusão altera o equipamento e o equilíbrio operacional: a preparação forte e a distribuição do líquido são cruciais, enquanto a quantidade de água que entra no suco afeta a taxa de evaporação. O Instituto Sul-Africano de Pesquisa da Cana-de-Açúcar identifica tanto a moagem quanto a difusão como rotas de extração estabelecidas, em vez de um único projeto obrigatório.[2]

Nenhuma rota deve ser selecionada a partir de uma porcentagem de extração isolada. Compare-a recuperação da linha inteira, preparação da cana, energia, vapor, água, manutenção, capacidade, condição do bagaço e restrição de evaporação. Na operação, calcula o açúcar que entra com a cana, o açúcar recuperado no caldo misto e o açúcar restante no bagaço em amostragem consistente e bases analíticas. Se os dados de Pol e caldo de cana vierem de lotes ou janelas de tempo diferentes, o resultado aparente da extração pode ser enganoso.

3. Esclareça o suco cru sem tratar “claro” como “puro”

O suco misto contém fibras finas, sólidos-derivados do solo, material coloidal, compostos formadores-de cor, minerais, microrganismos e não-açúcares dissolvidos, bem como sacarose. A triagem remove partículas grossas. A fabricação convencional de açúcar bruto-a seguir aquece o suco e ajusta as condições com cal para que impurezas selecionadas coagulem ou precipitem. Um clarificador permite que os flocos mais pesados ​​se assentem; os filtros recuperam o suco associado à lama. A EPA descreve aquecimento e tratamento com cal seguido de sedimentação e filtração no processo de açúcar de cana bruto.[1]

O esclarecimento é seletivo e não absoluto. A corrente clarificada ainda contém sacarose dissolvida e outras matérias solúveis e não é equivalente ao açúcar líquido refinado. Controle o pH, a temperatura, o tempo de residência, a formação de flocos, a sedimentação, a densidade da lama e a filtração como um único sistema. O tratamento inadequado transporta turbidez e sólidos para os evaporadores e recipientes. Condições excessivas ou mal controladas podem promover degradação da sacarose, formação de cor, incrustações ou perdas com lama. Conecte cada resultado laboratorial ao seu ponto de amostragem: suco cru, suco clarificado e filtrado respondem a diferentes perguntas.

O registro de clarificação deve reconciliar o fluxo de suco e o teor de açúcar antes e depois da estação e quantificar a perda-da torta de filtro. Deve também mostrar se o filtrado retornado foi incluído. Chamar todas as diferenças de “perda de esclarecimento” sem medir os estoques e os fluxos de retorno pode ocultar os efeitos do tempo. Para uma separação mais profunda de bagaço, torta de filtro e melaço como fluxos comerciais, use o guia XMSD parasubprodutos-da cana-de-açúcar; aqui estão as saídas de equilíbrio, não o assunto principal.

4. Concentre o suco clarificado em evaporadores de{1}efeitos múltiplos

O suco clarificado contém muita água para o crescimento eficiente dos cristais. Um trem evaporador de efeito múltiplo o ferve em uma série de recipientes a uma pressão progressivamente mais baixa. O vapor de um efeito fornece calor para o próximo, reduzindo a demanda de-vapor fresco em comparação com a fervura independente. A Sugar Research Australia dá um exemplo da indústria de suco clarificado próximo a 14 graus Brix sendo concentrado em xarope em torno de 65-70 graus Brix.[3]A EPA descreve um típico xarope de-açúcar bruto com cerca de 65% de sólidos após evaporação de-efeitos múltiplos.[1]Estas são referências de processo, não limites contratuais universais.

Brix é um indicador prático de sólidos solúveis, mas não é idêntico à pureza da sacarose. A distinção é importante porque o evaporador remove a água enquanto concentra a sacarose e os não-açúcares solúveis. Se você precisa da química por trás da sacarose, açúcares redutores, Brix, Pol e pureza, o guia separado paraqual açúcar está presente na cana-de-açúcaré dono dessa questão analítica. Para o evaporador, as questões operacionais são vazão, concentração de entrada e saída, perfil de temperatura, pressão, condição-de transferência de calor, qualidade do condensado e tempo de residência.

O valor do xarope por si só não prova um bom funcionamento. A incrustação reduz a transferência de calor; vazamentos podem contaminar o condensado; o arrastamento pode transportar o açúcar para os sistemas de vapor; e a alimentação instável cria um fornecimento instável do recipiente. Verifica a massa de entrada e saída, Brix, pressão e condensado em vez de aceitar uma única leitura pontual. Um bom balanço de evaporação contabiliza para onde foi a água removida e verifica se a sacarose não desapareceu em um fluxo não medido.

5. Cultive cristais de sacarose sob vácuo

O xarope entra em uma panela a vácuo, onde a água pode ser removida a uma temperatura de ebulição mais baixa do que à pressão atmosférica. A ebulição controlada leva a solução a uma condição supersaturada e os cristais de sementes ou uma pasta preparada estabelecem a população de cristais pretendida. A sacarose então se deposita nas superfícies cristalinas disponíveis. A mistura de cristais em crescimento e licor-mãe é chamada de massa cozida. Vácuo, temperatura, alimentação, supersaturação, ponto de semeadura e circulação influenciam a nucleação e o crescimento.

O objetivo não é simplesmente “tantos cristais quanto possível”. A nucleação espontânea descontrolada cria grãos finos: numerosos cristais minúsculos que complicam a separação e podem aumentar a perda de açúcar durante a lavagem. Cristais muito poucos ou excessivamente grandes proporcionam menos superfície total de crescimento e podem restringir a recuperação dentro do tempo de lote disponível. O LSU AgCenter explica essa compensação-: os cristais precisam de área de superfície suficiente para uma cristalização eficiente e, ao mesmo tempo, permanecem grandes o suficiente para a separação centrífuga.[5]

Muitas fábricas-de açúcar bruto usam vários estágios de fervura, comumente descritos como greves A, B e C ou massas cozidas, embora os nomes e os arranjos variem. O licor-mãe-de alta qualidade é fervido novamente para recuperar mais sacarose; o licor-mãe final sai como melaço final quando a cristalização adicional não é mais econômica ou prática sob esse esquema. As orientações processuais sul-africanas descrevem esta rota faseada e a reciclagem de fluxos intermédios de açúcar.[2]O número exato de etapas e caminhos de reciclagem deve vir do fluxograma da planta e não de um diagrama genérico.

6. Separe os Cristais em Centrífugas

A massa cozida entra em uma cesta centrífuga perfurada forrada com uma tela. A rotação conduz a fase líquida através da tela enquanto os cristais permanecem na cesta. Dependendo do estágio de ebulição e do produto alvo, uma lavagem controlada pode remover mais licor-mãe das superfícies do cristal. Os cristais úmidos saem para secar ou podem ser fundidos novamente ou reciclados dentro do esquema de fervura. O líquido separado passa para outro estágio de ebulição, rota de reciclagem ou fluxo final de melaço.

A lavagem cria uma troca direta de pureza-e-de rendimento-. Pouca lavagem pode deixar licor-mãe mais colorido e não-açúcares solúveis nos cristais. Muita lavagem dissolve a sacarose que já cristalizou e a envia de volta ao licor. O carregamento da cesta, o tempo do ciclo, a velocidade, a condição da peneira, a viscosidade da massa cozida, a distribuição do tamanho do cristal e a temperatura influenciam a separação. Um resultado de centrífuga deve, portanto, ser avaliado pela Pol cristalina ou sacarose, umidade, cor e recuperação em conjunto, e não apenas pela aparência.

A descrição comum de que “o açúcar mascavo bruto é transformado em açúcar branco” destrói duas fronteiras distintas de fábrica. Uma centrífuga de moagem bruta separa os cristais brutos do licor-mãe, mas esses cristais ainda carregam uma película de melaço. A produção de açúcar branco refinado geralmente requer afinação ou lavagem, fusão, posterior clarificação e descoloração, outra cristalização, centrifugação, secagem e condicionamento. Alguns sites integram essas operações; outros enviam açúcar bruto para uma refinaria separada. O Codex define o açúcar de cana bruto como sacarose parcialmente purificada cristalizada a partir de caldo de cana parcialmente purificado, com cristais cobertos por uma película de melaço, enquanto os açúcares brancos e de plantação ou moagem têm suas próprias identidades e disposições de pureza.[7]

7. Seque, esfrie, peneire e armazene o açúcar

Cristais recém-separados retêm a umidade e o calor da superfície. A secagem remove água superficial suficiente para atingir o objetivo e apoiar o fluxo, a triagem e o armazenamento. O resfriamento é importante porque o açúcar quente pode criar migração de umidade ou aglomeração quando as condições mudam em um silo ou embalagem. As telas controlam então a distribuição do tamanho vendável e separam as frações superdimensionadas ou finas de acordo com o plano de retrabalho do local. O produto deve ser amostrado após o estado representado pela especificação, e não enquanto ainda estiver em mudança.

A secagem e o transporte também introduzem controles de segurança e contaminação. As orientações de fabricação-de açúcar da Corporação Financeira Internacional identificam riscos de poeira, incêndio e explosão como relevantes para a secagem, armazenamento e manuseio de açúcar, juntamente com riscos de equipamentos e{2}}superfícies quentes.[6]O projeto e os procedimentos da planta necessitam de coleta de poeira, controle de ignição, limpeza adequada, proteção e manutenção apropriada à instalação real. Uma especificação alimentar não substitui uma avaliação de segurança de engenharia.

A aceitação do armazenamento pode incluir temperatura do produto, umidade, cor, Pol, cinzas, distribuição de{0}tamanho de partícula, matéria estranha, comportamento do fluxo, integridade da embalagem e rastreabilidade. A Sugar Research Australia lista polarização, umidade, cinzas, cor, filtrabilidade, grãos finos, amido, dextrana e temperatura entre as considerações de qualidade do-açúcar bruto em suas orientações para a indústria australiana.[3]Essa lista é um aviso útil, não uma especificação de compra automática. Método, limite, frequência, plano de amostragem e regra de disputa ainda precisam de acordo.

Construa um balanço de massa que possa localizar perdas

A recuperação das fábricas não pode ser auditada apenas com toneladas de cana e toneladas de açúcar. Comece com uma janela de tempo definida e reconcilie as alterações de estoque. Registrar a massa de cana e sua base aceita de sacarose ou Pol; massa e composição-de suco misto; massa de bagaço, umidade e açúcar residual; perda de lama de clarificação ou torta de{3}}filtro; fluxo e análise de xarope; fluxos de açúcar retornaram entre os estágios de ebulição; massa e análise-final do melaço; massa-de açúcar bruto, Pol e umidade; e quaisquer derramamentos, lavagens ou retrabalhos fora das especificações. A discussão do modelo-de moinho da LSU AgCenter enfatiza Brix, Pol, pureza, cor e informações de massa/fluxo como entradas para análises úteis de processos.[4]

Use a mesma base de componentes no numerador e no denominador. Um valor de-toneladas de bagaço úmido não pode ser comparado diretamente com sólidos secos, e o Brix não pode substituir silenciosamente a sacarose. Pol é uma medida óptica operacional sob um método declarado, não um sinônimo universal para sacarose medida quimicamente. O guia XMSD paravalor da cana-de-açúcar, Brix e recuperaçãoexplica como a qualidade recebida e o rendimento utilizável afetam a aquisição. Dentro da fábrica, a mesma disciplina permite distinguir a perda de extração da perda-de ebulição.

Use pontos de controle que explicam causa e efeito

Uma especificação informa se a saída é aceitável. Um plano de controle informa onde procurar quando não estiver. Os controles mais úteis conectam uma entrada, uma operação unitária e um fluxo de saída. Pol alto de bagaço aponta para preparação, pressão de extração, embebição ou amostragem. A turbidez do suco-altamente clarificado aponta para triagem, química, temperatura, floculação, sedimentação ou filtração. Xarope instável Brix aponta para problemas de alimentação, vapor, vácuo, transferência de calor-ou medição. O grão fino aponta para a qualidade da semente, controle de supersaturação, circulação ou operação do recipiente. A alta umidade do açúcar indica condição de centrífuga, operação de secador, resfriamento ou exposição ambiental.

Gráficos de tendências e saldos também precisam de amostragem sincronizada. A entrada de cana agora pode não corresponder à saída de açúcar agora porque tanques, evaporadores, tachos, cristalizadores e silos mantêm estoque. Defina um período de residência-ou janela de campanha e indique se o saldo é diário, por turno-ou por lote-. Reconcilie o estoque inicial e final. Caso contrário, uma mudança no nível do tanque pode parecer um ganho ou perda do processo.

Escreva uma especificação de saída antes de comparar fornecedores

"Açúcar extraído da cana" pode se referir ao açúcar bruto, açúcar branco de plantação ou usina, açúcar branco refinado, intermediário líquido ou xarope em-processo. Nomeie primeiro a identidade do produto e o estado de tratamento. Em seguida, defina a base analítica e o método para sacarose ou Pol, umidade, cor, cinzas, açúcares redutores quando relevante, distribuição-de tamanho de partícula, corpos estranhos, critérios microbiológicos quando a aplicação e a lei os exigirem, embalagem, peso líquido, codificação do lote, condições de armazenamento e transporte. O Codex fornece disposições de identidade e composição para diversas categorias de açúcar, mas seu processo pode exigir limites comerciais mais rígidos ou adicionais.[7]

Especifique o método de teste e onde a amostra é coletada. "Umidade abaixo de X" está incompleto sem método, lote e plano de amostragem. Os resultados de cores dependem de um método definido e de uma convenção de relatório. A aceitação do tamanho-do grão precisa de tamanhos de peneira, base cumulativa ou retida e tolerância permitida. Um certificado de análise deve identificar o lote e os métodos reais; uma folha de dados típica deve ser rotulada como típica. Acordar como os laboratórios e as amostras retidas serão usados ​​se os resultados diferirem.

O fluxo do processo também molda o controle de mudanças. Uma nova variedade de cana, intervalo mais longo entre colheita-e{2}}moagem, configuração de água de extração-, auxiliar de clarificação, regime de limpeza do evaporador, pasta de sementes, esquema de fervura, lavagem centrífuga ou condição de secador podem alterar a produção. Indique quais alterações requerem notificação, validação ou sua aprovação. O XMSDVisão geral do aplicativo-de processamento de alimentosé um ponto de partida para discutir como um material será utilizado e verificado; a especificação de compra ainda deve conter os detalhes de aceitação.

Perguntas comuns sobre extração de cana-de-açúcar

O açúcar é adicionado quimicamente ao caldo da cana durante a extração?

A sacarose recuperada já está presente na cana. O processamento o separa e purifica. A água é utilizada para embebição ou difusão; cal e outros auxiliares de processamento permitidos podem ser usados ​​na clarificação de acordo com o projeto da planta e as regras aplicáveis. A semeadura introduz cristais para controlar a cristalização, mas não cria a sacarose que estava no suco.

A fervura do caldo de cana produz diretamente açúcar branco refinado?

Não. A evaporação concentra o suco, enquanto a cristalização e a centrifugação controladas recuperam os cristais. O açúcar bruto geralmente precisa de operações adicionais de refinaria-frequentemente afinação, fusão, clarificação, descoloração, recristalização, centrifugação, secagem e condicionamento-para se tornar um produto branco refinado. Uma fábrica de matérias-primas e uma refinaria podem ser integradas ou separadas.

A fresagem é sempre melhor do que a difusão?

Nenhuma resposta universal se aplica. A fresagem utiliza expressão mecânica encenada com embebição; a difusão usa lavagem em contracorrente e depois desidrata a fibra. Compare a recuperação total, os requisitos de preparação, o equilíbrio de água e vapor, a energia, a manutenção, a capacidade da planta e a condição necessária do bagaço para o local real.

Você pode inferir a produção de açúcar a partir de uma fotografia de cana?

Não. Uma fotografia pode ajudar a verificar a forma física, a condição visível e a embalagem, mas não pode estabelecer Brix, sacarose, Pol, pureza, recuperação de extração ou rendimento de açúcar-acabado. Utilize um plano de amostragem representativo, métodos definidos, fluxos de massa medidos e um limite de recuperação declarado.

Uma lista de verificação de revisão prática

1. Defina o limite.A questão é extração de suco, recuperação de açúcar-cru, refino ou recuperação de açúcar total-de cana-vendável-?
2. Confirme as evidências recebidas.Combine o peso da cana, lote, época de colheita, matéria estranha e base aceita de sacarose ou Pol.
3. Mapeie todos os fluxos principais.Inclui suco misto, bagaço, lama ou torta de filtro, xarope, fluxos de reciclagem, melaço, condensado, açúcar e alterações de estoque.
4. Separe a concentração da pureza.Brix rastreia sólidos solúveis; por si só, não indica o teor de sacarose ou a qualidade do produto.
5. Combine rendimento com qualidade.Revise a recuperação junto com Pol ou sacarose, cor, cinza, umidade e tamanho de grão.
6. Torne as suposições visíveis.Declarar métodos analíticos, pontos de amostragem, fórmulas de cálculo, janela de tempo e tratamento de fluxos reciclados.
7. Escreva a identidade de saída.Não troque açúcar bruto, branco moído e refinado sem um padrão nomeado e limites acordados.
8. Controle de transferências.Defina os requisitos de resfriamento, armazenamento, embalagem, codificação de lote, transporte e notificação-de alterações.

O item de cana-de-açúcar listado pela XMSD é um formato de cana fresca-descascada, e não uma alegação de que a XMSD opera uma usina de açúcar-cru ou fornece todos os tipos de açúcar industrial. Se o seu requisito for bengala física para um programa alimentar, revise oformato de produto de cana fresca descascada. Compartilhe a aplicação pretendida, corte, embalagem, quantidade, destino e documentos necessários para que possamos analisar se a solicitação se enquadra em uma rota de fornecimento disponível.

Referências

1. Agência de Proteção Ambiental dos EUA.AP-42, Seção 9.10.1.1: Processamento de cana-de-açúcar.
2. Instituto Sul-Africano de Pesquisa em Cana-de-Açúcar.Fabricação de açúcar.
3. Pesquisa de Açúcar Austrália.Kit Informativo do Assessor Cana-de-Açúcar.
4. LSU AgCenter.Desenvolvimento de modelos de simulação para apoiar as usinas de açúcar da Louisiana.
5. LSU AgCenter.Distribuição do tamanho do cristal em uma usina de açúcar.
6. Corporação Financeira Internacional.Diretrizes Ambientais, de Saúde e Segurança para a Fabricação de Açúcar.
7. Codex Alimentarius.Padrão para Açúcares, CXS 212-1999, alterado em 2022.