BR102017011800A2 - processo para produção de açúcar e etanol a partir de soluções impuras de sacarose de cana-de-açúcar contendo níveis elevados de não-sacarose - Google Patents

Abstract

processo para produção de açúcar e etanol a partir de soluções impuras de sacarose de cana-de-açúcar contendo níveis elevados de não-sacarose. a invenção em questão está relacionada a um processo para produção de cristais de sacarose substancialmente puros e etanol a partir de soluções impuras de sacarose contendo elevados teores de açúcares redutores e com reduzido consumo de energia. o processo compreende as etapas de concentrar parcialmente uma solução impura de sacarose e açúcares redutores pelo processo de evaporação, resfriar o caldo pré-concentrado até a temperatura próxima a ambiente, fermentar seletivamente os açúcares redutores a etanol, reaquecer o material fermentado, evaporar o material fermentado, produzir uma corrente de vapor hidro alcoólico e outra de xarope de sacarose parcialmente concentrado, submeter o xarope a sucessivos estágios de evaporação, condensar a corrente vapor hidro alcoólico, destilar o condensado hidro alcóolico em sucessivos estágios até obter uma corrente rica em etanol, concentrar o xarope rico em sacarose, induzir a cristalização da sacarose até obter uma massa contendo cristais de sacarose e submeter o melaço resultante à fermentação a etanol.

Description

PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ETANOL A PARTIR DE SOLUÇÕES IMPURAS DE SACAROSE DE CANA-DE-AÇÚCAR CONTENDO NÍVEIS ELEVADOS DE NÃO-SACAROSE

Campo da invenção [001] A invenção em questão está relacionada a um processo para produção de cristais de sacarose substancialmente puros e etanol a partir de soluções impuras de sacarose contendo elevados teores de açucares redutores e com reduzido consumo de energia.

Antecedentes da invenção [002] O estado da técnica compreende um processo produtivo em que a matéria-prima utilizada para obtenção dos cristais de alta pureza e qualidade é o melaço e xarope de cana-de-açúcar ou soluções de sacarose contaminadas com elevados teores de açucares redutores.

[003] O processo convencional de produção de açúcar cristal bruto a partir de cana-de-açúcar está muito bem descrito na literatura em HONIG (1953), HUGOT (1969), MEADE & CHEN (1977), MEADE (1963) e VAN DER POEL et al. (1998), Peter HEIN(2007). As variações existentes no processo convencional de produção de açúcar branco de cana-de-açúcar no Brasil e no mundo são poucas. A menos de pequenas variações, inerentes à produção de alguns tipos especiais de açúcar, as operações unitárias envolvidas podem ser descritas a seguir. A cana colhida manualmente ou mecanicamente é encaminhada à indústria, onde é limpa (via seca ou úmida), passa por um processo de preparo onde é picada e desfibrada, é alimentada na extração que pode ser efetuada em moendas de múltiplos estágios em contracorrente (normalmente 4 a 6), onde recebe a adição de água no último

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 11/42

2/23 estágio, que pode ser em difusores, pouco comum no Brasil. Deste processo inicial resulta o bagaço que é enviado para queima em caldeiras (de média ou alta pressão) para geração de vapor e energia elétrica, e o caldo misto, que é enviado ao tratamento para a fabricação de açúcar e álcool.

[004] Nas usinas anexas, em média o equivalente a cerca de 50 % da cana processada é encaminhado à fabricação de açúcar e 50% à de álcool.

[005] O caldo destinado à fabricação de álcool passa por um tratamento físico-químico específico e é enviado para as dornas de fermentação, juntamente com o mel final esgotado (licor mãe) proveniente da fabricação de açúcar.

[006] O caldo misto destinado à fabricação de açúcar passa pela operação de separação do bagacilho em peneiras tipo cush-cush (e/ou peneiras rotativas), é aquecido até cerca de 40 °C e é encaminhado a sulfitação (normalmente em colunas ou hidroejetores) onde, mediante a adição de dióxido de enxofre resultante da queima do enxofre nos fornos, tem seu pH abaixado para cerca de 4,0 a 4,5. Após a sulfitação o caldo recebe a adição do leite de cal (ou sacarato de cálcio) onde o pH é elevado até cerca de 7,0 a 7,2. O caldo caleado (ou dosado) é então aquecido até cerca de 105°C, passando em seguida por um processo de vaporização (balão de flash) para remoção de gases dissolvidos, recebe a adição de um agente floculante (normalmente um polieletrólito de poliacrilamida) e é então submetido à decantação em decantadores estáticos (com ou sem bandejas). Esta operação também é comumente chamada de clarificação. Do processo de clarificação resultam duas correntes: uma de lodo e uma outra que é o caldo

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 12/42

3/23 clarificado. O lodo após receber a adição de bagacilho (um tipo de meio filtrante natural”) recebe a adição do leite de cal e eventualmente polieletrólito, é então filtrado em filtros rotativos a vácuo ou tipo belt press”, gerando-se desta forma a torta de filtro, que é encaminhada à lavoura e o caldo filtrado, que é re-enviado ao processo. O caldo clarificado obtido é encaminhado para a evaporação em evaporadores de múltiplos efeitos a vácuo (normalmente evaporadores tipo Robert de 4 ou 5 estágios), gerando-se um caldo concentrado, denominado xarope, com uma concentração de cerca de 65 ° Brix. No primeiro estágio de evaporação, normalmente denominado de pré-evaporação, efetua-se uma sangria de vapor (V1) utilizado nas operações de evapocristalização, aquecimento do caldo misto e destilação na fabricação de álcool. O xarope obtido na evaporação encaminhado etapa posterior de cristalização, que efetuada em evapo-cristalizadores tipo calandra a vácuo em sistemas de duas ou três massas”

Normalmente o processo de cristalização convencional leva de 3 horas, massa de cristais assim obtida é encaminhada cristalizadores horizontais dotados de camisa de resfriamento até a temperatura ambiente.

massa final então submetida um ciclo de centrifugação, em centrífugas de cesto, onde os cristais são lavados mediante aplicação de água e vapor e então encaminhados à secagem e ensaque. O mel obtido na centrifugação é reutilizado nos cozimentos para obtenção dos açúcares de segunda (açúcar B ou magma) e, eventualmente, terceira (açúcar C ou magma) , que são também recirculados no processo de fabricação do açúcar de primeira.

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 13/42

4/23 [007] O processo de produção de VHP e VVHP é praticamente o mesmo que o utilizado na produção para o açúcar cristal branco, com a diferença de que, na produção de VHP, não é utilizado processo de sulfitação. No processo de produção de VVHP, além de não ser utilizado a sulfitação, eventualmente há correção dos níveis de fosfato do caldo, e o xarope recebe a adição de α-amilase e/ou dextranase para hidrolização do amido e dextrana respectivamente, quando necessário.

[008] O processo de produção do açúcar orgânico é praticamente o mesmo que o utilizado na produção do açúcar cristal branco, com a diferença que não são utilizados insumos químicos em seu processamento e tanto a produção de cana-de-açúcar como o processo seguem práticas de auto sustentabilidade.

[009] Antes de se prosseguir na descrição pormenorizada do objeto dessa patente é importante que se apresente as várias possibilidades de se efetuar a cristalização da sacarose, conforme a seguir.

[010] São basicamente três as formas de se proceder a cristalização: por evaporação isotérmica, por evaporação flash ou por resfriamento. Em todas as formas o objetivo é partir da zona subsaturada, onde não há presença de cristais, até a zona metaestável, onde os cristais se formam e crescem.

[011] No processo de evaporação isotérmica a solução é evaporada mantendo-se constante temperatura da fase vapor até a obtenção dos cristais. No sistema de evaporação flash o solvente é removido da solução por evaporação efetuada sob pressão variável, normalmente efetuando-se vácuo,

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 14/42

5/23 estando associada uma redução de temperatura. E finalmente a cristalização por resfriamento, onde parte-se de uma solução saturada a uma temperatura mais elevada que é resfriada sucessivamente até a zona metaestável para obtenção e crescimento cristais, não ocorrendo, portanto, evaporação.

[012] Independentemente do caminho utilizado para se proceder a cristalização, a qualidade dos cristais obtidos no que tange aos aspectos uniformidade da distribuição granulométrica, cor, pureza, brilho e morfologia dos cristais estão intimamente correlacionados com a cinética de cristalização.

Uma extensa lista bibliográfica trata desse assunto em detalhes, por exemplo Van der Poel (VAN

DER POEL, P.H.,

SCHIWECK,

H.,

SCHWARTZ,

T.,

Sugar

Technology: Beet and Cane Sugar Manufacture,

Dr. Albert

Bartens, Berlin,

1998),Van Hook (VAN HOOK, W.A.,

MANTOVANI, .,

G., MATHALOUTHI,

M.,

Sucrose Crystallization

Science and

Technology. Dr.

Albert Bartens, Berlin, 1997), Mersmann

MERSMANN, A.

Crystallization

Technology Handbook, Marcel

Dekker, Inc,

1995), Mantelatto

MANTELATTO, P.E.

Estudo do processo de cristalização de soluções impuras de sacarose de cana-de-açúcar, por resfriamento, Tese de

Mestrado (PPG

EQ/UFSCAR) , 2005), Nyvlt (NYVLT,

J.,

SOHNEL,

O.;

MATUCHOVÁ, M.;

BROUL, M.;

The Kinetics of

Industrial Crystallization,

Academia

Prague,

1985),

Giulietti (NYVLT, J.,

Hostomsky, J.,

Giulietti, M.:

Cristalização, São Paulo, IPT/UFSCar, 2001).

[013] Todas as operações unitárias anteriormente descritas são perfeitamente aplicáveis quando a matériaprima utilizada para a fabricação de açúcar provêm de

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 15/42

6/23 variedades de cana com relativamente alto teor de sacarose, normalmente 850 a 890 g de sacarose/g de sólidos solúveis totais. Essas variedades se caracterizam por apresentarem um baixo teor de não-sacarose, em especial açúcares redutores frutose e glucose.

Esses sólidos solúveis nãosacarose consistem de um largo número de compostos orgânicos inorgânicos.

As quantidades desses constituintes na cana-de-açúcar variam de acordo com diversos fatores, destacar, área geográfica de origem, solo, variedade de cana, grau de maturação da cana, adubação, quantidade impurezas vegetais (ponteiro, folhas, raiz) processada junto com os colmos entre outros. Além dos mais estes compostos podem influenciar não somente um ao outro, mas principalmente a cristalização e recuperação da sacarose. Diversos autores estudaram em profundidade este assunto como Van Hook (1959),McGinnis (1978), Maurandi at al.(1988),Vavrinecz (1978/1979)e Heitz (1983, entre diversos outros. Em geral esses compostos não-sacarose podem afetar ou até mesmo inibir a formação e crescimento dos cristais de sacarose no processo de cristalização (Van der Poel,1998. Peter Rein (2007) enumeram os principais efeitos de não sacarose no processo de cristalização, são destacados a seguir.

[014] Os sólidos solúveis na sacarose modificam a solubilidade da sacarose. O coeficiente de solubilidade é, geralmente, menor que a unidade, no entanto quando o teor de não-sacarose/água aumenta esse coeficiente assume valores bem acima de um. Por exemplo, um teor de nãosacarose/água de 3,5 proporciona um coeficiente de saturação de cerca de 1,4 aumentando, portanto, a

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 16/42

7/23 solubilidade da sacarose. Silin(1993) propõe, baseado em dados experimentais a seguinte equação:

Ysat= a.qNS/W + b + b.(1-b).exp(-c. qNS/W)

Onde a = 0,178, b=0,82 e c=2,1 ysat = quantidade de sacarose (g)/quantidade de água(g), qNS/W = quantidade de não-sacarose(g)/água(g).

[015] Também reduzem a taxa de cristalização através da redução da taxa de difusão devido a alta viscosidade do licor mãe ou por meio de interação com certas faces da superfície cristalina, inibindo dessa forma deposição de sacarose. Estes também interferem na morfologia do cristal. De fato, alguns oligossacarídeos bloqueiam o crescimento de algumas faces mudando a forma do cristal provocando deformação do cristal, alongando e afinando os cristais. Outro efeito importante é com relação a largura da zona metaestável, onde ocorre a cristalização alterando a faixa segura de temperatura e concentração para a granagem.

[016] Vavrinez (1978,1979) destaca que os metais alcalinos como Na, K, Li, e alcalinos terrosos, como Ca e Mg podem elevar ou abaixar o coeficiente de saturação da sacarose dependendo da concentração. O efeito dos metais alcalinos é mais acentuado que ao efeito dos metais alcalinos terrosos. Pautrat et al. (1995) destaca que polissacarídeos como exemplo dextrana e arabinose também influenciam negativamente a cristalização de sacarose, pois modificam a solubilidade da mesma. Van der Poel destaca que cada substância não-sacarose pode exercer diferentes influências que dependem não somente da sua concentração,

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 17/42

8/23 mas também dos outros não-sacarose presentes na solução, portanto podem haver sinergias positivas ou negativas na cristalização da sacarose.

[017] Mantovani et al. (1991) destaca que, dentre as principais substâncias que influenciam a morfologia cristalina, podem-se destacar a glucose, a frutose, os oligossacarídeos e a dextrana. Normalmente frutose e glucose em especial provocam a elongação dos cristais [018] A maioria das variedades de cana-de-açúcar plantadas com a finalidade de produzir açúcar e etanol apresentam relativamente baixos teores de açúcares redutores e são facilmente processadas até açúcar conforme operações unitárias anteriormente descritas. No entanto, variedades de cana-energia destinadas principalmente a geração de energia por apresentarem alto teor de fibras (entre 20 e 25%) produzem um caldo com alto teor de nãosacarose, em especial açucares redutores (glucose e frutose). Estes elementos, conforme já descrito anteriormente, afetam negativamente a cristalização de sacarose, tornando-a, muitas vezes, inviável. Industrialmente deseja-se que essa cana, além da geração de energia após a remoção do caldo, também seja factível de processamento até açúcar e etanol de forma rentável. Muitas variedades de cana-energia quando processadas pelo processo convencional não permitem a cristalização da sacarose ou não podem ser processadas nos equipamentos convencionais.

[019] A patente americana 1,572,359 (1926) propõe a remoção dos açúcares redutores presentes no melaço diluído a 18°Brix por fermentação seletiva dos açúcares redutores (dextrose e levulose a etanol utilizando um microrganismo

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 18/42

9/23 do gênero S. apiculatus e precipitação da sacarose remanescente com hidróxido de cálcio formando o sacarato de cálcio e posterior decomposição do sal de sacarose com dióxido de carbono obtendo-se uma solução de sacarose e carbonato de cálcio que após passar por processo de filtração gera uma corrente de solução de sacarose que é submetida a cristalização. Em uma das formas preferidas da patente americana 2,018,869 propõe processo para tratar solução impura de sacarose e obtenção de sacarose de alta pureza etanol. Nessa o melaço contendo uma polarização de 60° é submetida a remoção de açúcares redutores por fermentação seletiva até etanol utilizando levedura em acordo com que ensina as técnicas relatada nas patentes americanas US 1,572,359 (1929) e US 1,401,433 (1921). Em seguida recebe a adição de um óxido ou hidróxido de metal alcalino terroso em quantidade suficiente para e álcool precipitar as impurezas orgânicas, mas insuficiente para precipitar a sacarose residual. Com esse procedimento sais de cálcio e potássio são separados. Após a remoção do etanol a solução residual de sacarose é submetida a cristalização.

[020] Outra patente americana

US 1,730,473 (1929) também inclui fermentação seletiva do melaço de cana-deaçúcar para remoção de açúcares redutores, mistura com etanol óxido ou hidróxido para solução precipita o material orgânico interferente material colorido sem substancial precipitação de sacarose, separação do precipitado orgânico e material colorido tratamento da solução remanesceste de sacarose e nova precipitação da sacarose com óxido ou hidróxido.

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 19/42

10/23 [021] O artigo de Ohara et al (Biomass and Bioenergy 42(2012) 78-85, WO americana US 2016/0108437 Al e BR 11 2015 028134 6 apresentam uma planta de açúcar e etanol na qual o caldo de cana-de-açúcar passa por uma etapa de fermentação seletiva dos açúcares redutores antes das etapas de clarificação e concentração, recolhendo-se uma corrente de vapor hidro alcoólico no primeiro estágio de evaporação. Contudo, a fermentação seletiva feita antes da etapa de clarificação ocorre em um meio rico em contaminantes, dentre eles alguns microrganismos capazes de inverter a sacarose presente no meio, reduzindo o rendimento da etapa de cristalização.

[022] A invenção objeto dessa patente vai na direção de tornar viável a produção de açúcar cristal de variedades que apresentam alto teor de não-sacarose, como por exemplo variedades de cana-energia.

Sumário da invenção [023] Em função das limitações da técnica anterior a invenção tem, por objetivo, prover um processo para produção de açúcar cristalizado a partir de soluções impuras de sacarose e contendo altos teores de não sacarose. Processo para cristalização de sacarose e produção etanol caracterizado pelo fato de compreender as etapas de concentrar parcialmente o caldo de cana-de-açúcar tratado contendo constituído de uma solução impura de sacarose e açúcares redutores pelo processo de evaporação, resfriar o caldo pré-concentrado até a temperatura próxima a ambiente, fermentar seletivamente os açúcares redutores a etanol, reaquecer o material fermentado, evaporar o material fermentado, produzir uma corrente de vapor

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 20/42

11/23 hidroalcoólico e outra de xarope de sacarose parcialmente concentrado, submeter o xarope a sucessivos estágios de evaporação, condensar a corrente vapor hidroalcoólico, destilar o condensado hidro-alcóolico em sucessivos estágios até obter uma corrente rica em etanol. Concentrar o xarope rico em sacarose, induzir a cristalização da sacarose até obter uma massa contendo cristais de sacarose, submeter a massa cristalizada a um processo de centrifugação para separação dos cristais do licor mãe. Breve descrição dos desenhos [024] A invenção será a seguir descrita, fazendo-se referência aos desenhos anexos, dados a título de exemplo de uma possível forma de realização da invenção, e nos quais:

[025] A Figura 1 está representando um fluxograma de uma das formas preferidas do processo para produção de açúcar cristalizado a partir de soluções impuras de sacarose e contendo altos teores de não-sacarose por processo que não necessita os tratamentos complementares de remoção dos não-sacarose.

[026] A Figura 2 está representando um fluxograma de uma das formas preferidas do processo para produção de açúcar cristalizado a partir de soluções impuras de sacarose e contendo altos teores de não-sacarose por processo complementar de flotação do xarope.

[027] A Figura 3 está representando um fluxograma uma outra forma preferida do processo para produção de açúcar cristalizado a partir de soluções impuras de sacarose e contendo altos teores de não sacarose por processo que necessita os tratamentos complementares de remoção de não

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 21/42

12/23 açucares, tratamento do xarope por flotação e resina de troca iônica (catiônico e aniônico.

Descrição detalhada da invenção [028] Em linhas gerais, o processo da presente invenção compreende as etapas de:

i) tratar o caldo de cana-de-açúcar;

ii) concentrar o caldo em um evaporador múltiplo efeito, dito evaporador compreendendo entre 5 e 7 estágios, em que o caldo concentrado no segundo estágio é resfriado, passa por uma fermentação seletiva dos açúcares redutores com reciclo de fermento e é reinserido no terceiro estágio do evaporador, recolhendo-se uma corrente V1 de vapor no primeiro estágio, uma corrente de vapor V2 no segundo estágio, uma corrente de vapor hidro alcoólico V3 no terceiro estágio, uma corrente de vapor hidro alcoólico V4 no quarto estágio e uma corrente de xarope concentrado no último estágio;

iii) condensar a corrente V3 indiretamente no quarto estágio do evaporador múltiplo efeito, condensar a corrente V4 indiretamente no quinto estágio e destilar as correntes V3 e V4 condensadas para a obtenção de etanol;

iv) induzir a cristalização da sacarose no xarope concentrado obtido na etapa (ii) formando um pé de massa A por aquecimento/evaporação com a corrente V1 de vapor, uma massa A por aquecimento com a corrente V1 de vapor e uma massa B por aquecimento com a corrente V1 ou V2 de vapor, recolhendo-se o açúcar cristal e melaço, e

v) fermentar o melaço da etapa (iii) a etanol.

[029] De acordo com uma das formas preferida da invenção é provido um processo para cristalização de açúcar

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 22/42

13/23 a partir de soluções impuras de sacarose e contendo altos teores de não-sacarose, compreendendo a etapa de submeter as variedades de cana-de-açúcar, contendo altos teores de não-sacarose, a um processo de preparo por fracionamento e desfibramento (1) , extrair o caldo dito misto em múltiplos estágios de extração por prensagem ou difusão em contracorrente (2) com a água adicionado no último estágio de extração, enviar caldo extraído para o compartimento de mistura

3), onde caldo é misturado ao caldo filtrado tratamento e enviar bagaço remanescente da extração para queima em um dispositivo de geração de vapor. Enviar a mistura de caldo e caldo filtrado, dito caldo misto para o tratamento físico-químico compreendendo as etapas dosar 200 a 300 ppm de P2O5 (utilizando ácido fosfórico, H3PO4), aquecer O caldo misto ao aquecimento até cerca de 70 °C (4), adicionar uma suspensão de hidróxido de cálcio (ou sacarato de cálcio) até pH de cerca de 7,0 a 7,2 (5), aquecer o caldo caleado (ou dosado) até cerca de 105°C a

110°C (6), submeter o caldo aquecido a um processo de vaporização (flash) para remoção de gases dissolvidos

7), adicionar um agente floculante (8), decantar os flocos em um dispositivo de decantação (10), de modo a obter na parte inferior um lodo compostos pelos flocos e um caldo dito clarificado na parte superior do dispositivo de decantação.

Enviar o lodo para filtração (11), gerando uma torta e o caldo filtrado que retorna para o processo.

Submeter o caldo clarificado a um aquecimento (12), de cerca de a

98°C até temperatura de operação do evaporador

1, submeter o caldo clarificado a evaporação no primeiro estágio, (13) a temperatura de 110°C a 120°C, onde

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 23/42

14/23 o fluido aquecedor, vapor V0, dito de escape, fornece calor de modo indireto para o mesmo. Submeter o caldo préevaporado no 1°estágio a um segundo estágio de evaporação(14), a 105 a 110°C, onde o fluido aquecedor, vapor V1 fornece calor, de modo indireto, para o mesmo até ser atingido uma concentração de sólidos solúveis totais entre 20 a 35° Brix. Resfriar de modo indireto o caldo préevaporado efluente do segundo estágio de evaporação (15), até 30 a 35°C e em seguida a submetê-lo a um processo de fermentação seletiva (16), da glucose e frutose até etanol, utilizando uma levedura que pode ser, por exemplo, a Pachysolen tannophilus, Saccharomyces cerevisiae Pe-2 AISUC-2 (banco de cepas CTBE/CNPEM), a Sacharomyces cerevisiae ATCC56805, STX347-1D, NITE BP-1587, NITE BP1588, Saccharomyces aceti NBRC10055, Saccharomyces hienipiensis, NBRC1994, Saccharomyces italicus ATCC13057, Saccharomyces dairenensis NBRC 0211, Saccharomyces transvaalensis NBRC 1625, Saccharomyces rosinii NBRC 10008, Zygosaccharomyces bisporus NBRC 1131, Saccharomyces cerevisiae NITE BP-1587 e NITE BP-1588, preferencialmente a Pachysolen tannophilus. A condução e as condições operacionais para fermentação do caldo pré-evaporado pode ser conduzida por qualquer um dos métodos conhecido de um especialista na técnica, e incluem, por exemplo, método fermentação por batelada alimentada, fermentação contínua ou fermentação contínua em leito de células imobilizadas. Concluída a fermentação seletiva, o vinho fermentado é submetido a um processo de centrifugação (17), para separação das células do vinho fermentado onde as células do fermento são recicladas no processo e o vinho fermentado

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 24/42

15/23 contendo substancialmente etanol e solução impura de sacarose é aquecido (18), indiretamente até uma temperatura substancialmente igual a temperatura de operação do evaporador 3. O fluido aquecedor desta operação é o próprio caldo pré-evaporado efluente do segundo estágio de evaporação. O caldo aquecido é então enviado ao 3°estágio de evaporação (19)a 85° a 95°C, onde o fluido aquecedor, vapor V2 gerado no segundo estágio de evaporação, fornece calor, de modo indireto ao evaporador 3, onde são geradas duas correntes, uma de caldo pré-evaporado que é alimentada num 4° estágios de evaporação,20, e outra constituída de um vapor alcoólico, com uma concentração alcoólica entre 3° a

6° INPM e que é condensado indiretamente, no estágio subsequente de modo a prover calor para evaporação do caldo no quarto estágio e gerando um primeiro condensado alcoólico. O caldo pré-evaporado no 3° estágio é novamente evaporado indiretamente num 4° estágio, gerando duas correntes, sendo uma de caldo pré-evaporado que é alimentada num

5° estágios de evaporação e outra constituída de um vapor alcoólico, com uma concentração alcoólica entre

100 g de etanol/ kg de vapor a 300 g de etanol/ kg condensado de vapor, uma temperatura entre 72 a 75°C, que indiretamente, no estágio subsequente de modo prover calor para evaporação do caldo no

5° estágio gerando um segundo condensado alcoólico. O caldo préevaporado no 4°estágio de evaporação é submetido a sucessivos estágios (n)(21), de evaporação indireta até se obter um xarope com uma concentração de cerca de 60 a

65°Brix. O vapor efluente dos demais estágios de evaporação são substancialmente isentos de etanol, e são

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 25/42

16/23 sucessivamente condensados. O número de estágios de evaporação são de 5 a 7, mais preferivelmente 5. O xarope A é enviado ao dissolvedor (22) onde recebe a adição do açúcar B gerando um xarope de pureza superior aqui dito xarope C.

[030] O ponto de adição de semente (gérmen de cristalização) contendo cristais com tamanho médio de cerca de 10-40 pm, ao xarope B para cristalização e preparo do pé-de-cristalização da massa A (23), deve ser por meio de evaporação de água até que se atinja uma supersaturação (quantidade de sacarose dissolvida em g/ quantidade de sacarose dissolvida na saturação em g, nas mesmas condições de temperatura e pressão) de cerca de 1,10 a 1,25, mais preferivelmente de 1,15. Sequencialmente os cristais devem ser crescidos por evaporação da água, utilizando vapor V1, até atingirem um tamanho de 200 a 400 pm, mais preferivelmente 300 pm. O fluido de aquecimento /evaporação, indireta da pé-de-cristalização da massa A, é preferivelmente vapor V1 e o dispositivo de evaporação opera na parte interna uma pressão de 180 a 200 mbar. O processo de cristalização da massa A (24), compreende as etapas de transferência do pé-de-cristalização até de cerca de 1/3 do volume útil do dispositivo de evapo cristalização, alimentação de xarope B simultaneamente com a evaporação de forma a manter uma supersaturação de 1,10 a 1,20, preferivelmente 1,15 e crescer os cristais até um tamanho médio de 500 a 650 pm. O fluido de aquecimento /evaporação, indireta da massa A, é preferivelmente vapor V1 e o dispositivo de evaporação opera na parte interna uma pressão de cerca de 180 a 200 mbar. Completada a

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 26/42

17/23 cristalização a massa A cristalizada é submetida a operação de centrifugação, (25) onde os cristais de açúcar A substancialmente puros são separados do licor-mãe dito mel A.

[031] O processo de cristalização da massa B (26), compreende as etapas de transferir o pé-de-cristalização até de cerca de 1/3 do volume útil do dispositivo de evapocristalização, alimentação de mel A simultaneamente com a evaporação de água de forma a manter uma supersaturação de

1,10 a 1,20, preferivelmente 1,15 e crescer os cristais até um tamanho médio de 500 a 650 pm. O fluido de aquecimento /evaporação, indireta da massa B, é preferivelmente vapor V2 ou V1, preferivelmente V2 e o dispositivo de evaporação opera na parte interna com uma pressão de cerca de 180 a 200 mbar. Completada a cristalização a massa B cristalizada é submetida a operação de centrifugação, (27), onde os cristais de açúcar B, substancialmente puros, são separados do licor-mãe dito mel B ou melaço. O melaço após correção do brix para cerca 25-30% de Açúcares Redutores Totais (ART) é encaminhado para a operação de fermentação, (28) . Completada a fermentação o mosto fermentado é submetido a centrifugação, (29) para separação de células de levedura que é reciclada para o processo de fermentação e o vinho delevedurado submetido a uma sequência de operação de destilação até a obtenção de etanol a 95°INPM.

[032] Em outra forma preferida da invenção, Figura 2, o xarope A efluente do evaporador n, após ser submetido a mesma sequência de operação descrita anteriormente na primeira forma preferida da invenção, é aquecido (22) até cerca de 65-70°C, recebe a adição de 200 a 500 ppm de P2O5

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 27/42

18/23 através da dosagem de ácido fosfórico, é submetido a dosagem (23) de sacarato de cálcio até pH 7,0 a 7,20, recebe a adição de um floculante, então recebe a adição de microbolhas de ar em quantidade suficiente para a proporcionar intensa formação de espuma no processo de flotação (24) . No dispositivo de flotação são geradas duas correntes, uma na parte superior que é a espuma contendo impurezas floculadas, na parte superior enviada ao processo para recuperação de açúcar remanescente e outra na parte inferior que é o xarope flotado e purificado aqui chamado de xarope B.

[033] O xarope B é enviado ao dissolvedor (25) onde recebe a adição do açúcar B gerando um xarope de pureza superior dito xarope C. O xarope C é enviado para a elaboração do pé-de-cristalização da massa A (26) e também alimenta o dispositivo de evapo-cristalização da massa A (27).

[034] O ponto de adição de semente (gérmen de cristalização) contendo cristais com tamanho médio de cerca de 10-40 gm, ao xarope C para cristalização e preparo do pé-de-cristalização da massa A e B, (26), deve ser por meio de evaporação de água até que se atinja uma supersaturação de cerca de 1,10 a 1,25, mais preferivelmente de 1,15. Sequencialmente os cristais devem ser crescidos por evaporação da água, utilizando preferencialmente vapor V1, até atingirem um tamanho de 200 a 400 gm, mais preferivelmente 300 gm. O dispositivo de evapocristalização do pé-de-cristalização da massa A e B deve ser operado de modo a ter no seu interior uma pressão de

180 a 200 mbar. O processo de cristalização da massa A,27,

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 28/42

19/23 compreende as etapas de transferência do pé-decristalização até de cerca de 1/3 do volume útil do dispositivo de evapo-cristalização, alimentação de xarope C simultaneamente com a evaporação de forma a manter uma supersaturação de 1,10 a 1,20, preferivelmente 1,15 e crescer os cristais até um tamanho médio de 500 a 650 pm. O fluido de aquecimento /evaporação, indireta da massa A, é preferivelmente vapor V1 e o dispositivo de evaporação também deve operar na parte interna com uma pressão de cerca de 180 a 200 mbar. Completada a cristalização a massa A cristalizada é submetida a operação de centrifugação, (28) onde os cristais de açúcar A substancialmente puros são separados do licor-mãe A, aqui dito mel A.

[035] O processo de cristalização da massa B (29), compreende as etapas de transferir o pé-de-cristalização até de cerca de 1/3 do volume útil do dispositivo de evapocristalização, alimentação de mel A simultaneamente com a evaporação de água de forma a manter uma supersaturação de

1,10 a 1,20, preferivelmente 1,15 e crescer os cristais até um tamanho médio de 500 a 650 pm. O fluido de aquecimento /evaporação, indireta da massa B, é o vapor V2 ou V1, preferivelmente V2 e o dispositivo de evaporação deve operar com ima pressão na parte interna de cerca de 180 a 200 mbar. Completada a cristalização a massa B cristalizada é submetida a operação de centrifugação (30), onde os cristais de açúcar B, substancialmente puros, são separados do licor-mãe B dito mel B ou melaço. O melaço após correção do Brix para cerca 25-30% de Açúcares Redutores Totais (ART) é encaminhado para a operação de fermentação 31. Completada a fermentação o mosto fermentado é submetido a

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 29/42

20/23 centrifugação (32) para separação de células de levedura que é reciclada para o processo de fermentação e o vinho delevedurado submetido a uma sequência de operação de destilação até a obtenção de etanol a 95°INPM.

[036] Em outra forma preferida da invenção o xarope A efluente do evaporador n, após ser submetido a mesma sequência de operação descrita anteriormente na primeira forma preferida da invenção, é aquecido (22) até cerca de 65-70°C, recebe a adição de 200 a 500 ppm de P2O5 através da dosagem de ácido fosfórico, é submetido a dosagem (23) de sacarato de cálcio até pH 7,0 a 7,20, recebe a adição de um floculante, então recebe a adição de microbolhas de ar em quantidade suficiente para a proporcionar intensa formação de espuma no dispositivo de flotação (24) . No dispositivo de flotação são geradas duas correntes, uma na parte superior que é a espuma contendo impurezas floculadas, na parte superior enviada ao processo para recuperação de açúcar remanescente e outra na parte inferior que é o xarope flotado e purificado aqui chamado de xarope B. O xarope B na sequência é alimentado num conjunto de coluna troca iônica (25), sendo a primeira fracamente catiônica tipo Na⁺ e a segunda fortemente aniônica tipo Cl^- gerando um xarope abrandado aqui dito xarope C. O xarope C é enviado ao dissolvedor (26) onde recebe a adição do açúcar B gerando um xarope de pureza superior dito xarope D. O xarope C é enviado para a elaboração do pé-de-cristalização da massa A (27) e também alimenta o dispositivo de evapo-cristalização da massa A (28) .

[037] O ponto de adição de semente (gérmen de

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 30/42

21/23 cristalização) contendo cristais com tamanho médio de cerca de 10-40 gm, ao xarope C para cristalização e preparo do pé-de-cristalização da massa A e B (28), deve ser por meio de evaporação de água até que se atinja uma supersaturação de cerca de 1,01 a 1,20, mais preferivelmente de 1,05 a 1,15 e, mais preferivelmente, de 1,10. Sequencialmente os cristais devem ser crescidos por evaporação da água, utilizando preferencialmente vapor V1, até atingirem um tamanho de 200 a 400 gm, mais preferivelmente 300 gm. O dispositivo de evapo-cristalização do pé-de-cristalização da massa A e B deve ser operado de modo a ter no seu interior uma pressão de 180 a 200 mbar. O processo de cristalização da massa A (28), compreende as etapas de transferência do pé-de-cristalização até de cerca de 1/3 do volume útil do dispositivo de evapo-cristalização, alimentação de xarope C simultaneamente com a evaporação de forma a manter uma supersaturação de 1,10 a 1,20, preferivelmente 1,15 e crescer os cristais até um tamanho médio de 500 a 650 gm. O fluido de aquecimento /evaporação, indireta da massa A, é preferivelmente vapor V1 e o dispositivo de evaporação também deve operar na parte interna com uma pressão de cerca de 180 a 200 mbar. Completada a cristalização a massa A cristalizada é submetida a operação de centrifugação, (29) onde os cristais de açúcar A substancialmente puros são separados do licor-mãe A, aqui dito mel A.

[038] O processo de cristalização da massa B (30), compreende as etapas de transferir o pé-de-cristalização até de cerca de 1/3 do volume útil do dispositivo de evapocristalização, alimentação de mel A simultaneamente com a

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 31/42

22/23 evaporação de água de forma a manter uma supersaturação de

1,10 a 1,20, preferivelmente 1,15 e crescer os cristais até um tamanho médio de 500 a 650 μm. O fluido de aquecimento /evaporação, indireta da massa B, é o vapor V2 ou V1, preferivelmente V2 e o dispositivo de evaporação deve operar com ima pressão na parte interna de cerca de 180 a 200 mbar. Completada a cristalização a massa B cristalizada é submetida a operação de centrifugação (31), onde os cristais de açúcar B, substancialmente puros, são separados do licor-mãe B dito mel B ou melaço. O melaço após correção do Brix para cerca 25-30% de Açúcares Redutores Totais (ART) é encaminhado para a operação de fermentação (32). Completada a fermentação o mosto fermentado é submetido a centrifugação 32 para separação de células de levedura que é reciclada para o processo de fermentação e o vinho delevedurado submetido a uma sequência de operação de destilação (33) até a obtenção de etanol a 95°INPM e uma corrente de vinhaça e flegmaça que é retirada do sistema.

[039] EXEMPLO 1 [040] Caldo extraído de cana-energia contendo pH de 5,50, 69,25g de sacarose / kg de caldo, um teor de açúcares redutores 6,36 g de frutose/ kg de caldo, 10,81 g de glucose/kg de caldo, Brix 10,5° e pureza 65,95% e sólidos solúveis não-sacarose (NS) 3,57 g de NS/ kg de caldo de cana recebeu a adição de 250 ppm de P2O5 foi aquecido até 70°C recebeu a adição de leite de cal ( suspenção de hidróxido de cálcio, 90g CaO/L de suspensão)até pH 7,0, foi novamente aquecido até a ebulição e remoção de gases dissolvidos, recebeu a adição de 3,0 ppm de uma solução de polieletrólito (poliacrilamida) a 0,5%, foi submetido a

Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 32/42

23/23 decantação resultando num caldo clarificado com pH 6,90. O caldo clarificado foi então submetido a evaporação sob a pressão de 180 mbar, resultando num xarope a 20°Brix, sacarose 134,90 g/kg de xarope, açúcares redutores com glucose de 21,1 g/kg de xarope e frutose de 11,2 g/kg de caldo e outros sólidos não sacarose de 16,77 g NS/kg de xarope. O xarope foi então submetido a fermentação seletiva pela cepa Pachysolen tannophilus a 32 °C por 4h resultando num xarope fermentado contendo um teor alcoólico de 15,74 g e etanol/ kg de vinho fermentado delevedurado e sacarose de 134,90 g/kg de vinho fermentado. O vinho pureza 77,15°C foi então submetido a evaporação a 180 mbar até 42,75°Brix, resultando, num condensado com 15 g/kg de condensado, e uma concentração de 5,03 g/100g.O xarope resultante foi novamente evaporado até 59,1°Brix, resultando num condensado contendo 3,11 g de etanol/100 g de condensado. O xarope passou por novo processo de evaporação a pressão de 200 mbar 84,7°Brix, (coeficiente de supersatura de 1,15) ponto em que foi introduzido uma suspensão de semente (gérmen de cristalização). A evaporação foi conduzida nas condições anteriores até 92°Brix para crescimento dos cristais. A quantidade de cristais recuperadas da massa cristalizada após a cristalização foi de 380g de cristais/1000 kg de massa cristalizada.

Claims (5)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Processo para produção de açúcar cristal e etanol a partir de soluções impuras de sacarose de cana-de-açúcar contendo níveis elevados de não-sacarose caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:

   i) tratar o caldo de cana-de-açúcar;

   ii) concentrar o caldo em um evaporador múltiplo efeito, dito evaporador compreendendo entre 5 e 7 estágios, em que o caldo concentrado no segundo estágio é resfriado, passa por uma fermentação seletiva dos açúcares redutores com reciclo de fermento e é reinserido no terceiro estágio do evaporador, recolhendo-se uma corrente V1 de vapor no primeiro estágio, uma corrente de vapor V2 no segundo estágio, uma corrente de vapor hidro alcoólico V3 no terceiro estágio, uma corrente de vapor hidro alcoólico V4 no quarto estágio e uma corrente de xarope concentrado no último estágio;

   iii) condensar a corrente V3 indiretamente no quarto estágio do evaporador múltiplo efeito, condensar a corrente V4 indiretamente no quinto estágio e destilar as correntes V3 e V4 condensadas para a obtenção de etanol;

   iv) induzir a cristalização da sacarose no xarope concentrado obtido na etapa (ii) formando um pé de massa A por aquecimento/evaporação com a corrente V1 de vapor, uma massa A por aquecimento com a corrente V1 de vapor e uma massa B por aquecimento com a corrente V1 ou V2 de vapor, recolhendo-se o açúcar cristal e melaço, e

   v) fermentar o melaço da etapa (iii) a etanol.
2. 2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o caldo de cana-de-açúcar

   Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 34/42

   2/5 tratado na etapa (i) apresentar teores de açúcares redutores superiores a 50 g/kg e uma relação sacarose/sólidos solúveis total igual ou superior a 550 g/kg.
3. 3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o caldo de cana-de-açúcar ser

   pré-concentrado até 20% a 40% de sólidos solúveis, sequencialmente nos dispositivos evaporadores EVAP1 13 e EVAP2 14. 4. Processo, de acordo com qualquer uma das

   reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de o caldo pré-evaporado no segundo estágio de evaporação EVAP2 14 ser resfriado 15 de 105°C a 120°C até 29°C a 34°C, antes de ser submetido ao processo de remoção de açúcar redutor por fermentação seletiva 16.

   5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da fermentação seletiva 16 na etapa ii) ser conduzida até a conversão de açúcares redutores seja superior a 90% e utilizando preferencialmente as cepas AISUC-2 ou Pachysolen tannophilus.

   6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o material fermentado seletivamente (16) e centrifugado (17) ser submetido a aquecimento 18 de forma indireta e regenerando o calor pelo caldo pré-evaporado efluente do segundo estágio de evaporação EVAP2 14.

   7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o vapor hidro alcoólico V3 ser condensado de forma indireta no quarto estágio de evaporação 20, fornecendo calor para concentração do xarope

   Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 35/42

   3/5 efluente do terceiro estágio EVAP3 (19), e possuir uma concentração de etanol entre de 400 a 600 g de etanol/ kg de condensado hidro alcoólico.

   8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o vapor hidro alcoólico V4 ser condensado de forma indireta no quinto estágio de evaporação (21), fornecendo calor para concentração do xarope efluente do quarto estágio (20), e possuir uma concentração de etanol entre 100 a 300 g de etanol/kg de condensado hidro alcoólico.

   9. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o xarope ser concentrado no último estágio da etapa (ii) a uma concentração de 600 a 800 g de sólidos solúveis totais/ kg de xarope.

   10. Processo, de acordo com a reivindicação 9 caracterizado pelo fato de o xarope efluente o último estágio n de evaporação ser submetido ao processo de cristalização por evaporação de água sob vácuo na etapa (iv).

   11. Processo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado em que o número de dispositivos de evaporação serem de 5 a 7, preferencialmente 5.

   12. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato a cristalização da etapa (iv) ser induzida pela adição de semente ou gérmen de cristalização de sacarose ser introduzida no dispositivo evapocristalizador massa A e B (23) a uma supersaturação de 1,10 a 1,25, mais preferencialmente de 1,15.

   13. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de a semente ser uma solução

   Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 36/42
4. 4/5 alcoólica de cristais de sacarose finamente moídos até um tamanho médio de 14 a 20 gm.

   14. Processo, de acordo com as reivindicações 12 e 13, caracterizado pelo fato da cristalização ser conduzida, num primeiro estágio de cristalização, para obtenção de um pé-de-cristalização dito pé-massa A e B (23) e alimentação do xarope B e evaporação simultânea de água até a obtenção de uma massa cristalizada com 90 a 92°Brix contendo ao final do processo, cristais com tamanho médio de 0,20 a 0,40 mm e 30 a 50% (peso/peso) de cristais.

   15. Processo, de acordo com as reivindicações 1 e 14, caracterizado pelo fato de a cristalização da massa A ser conduzida transferindo-se cerca de 1/3 do pé-da-massa A e B (23), para o dispositivo evapo-cristalizador A (24) ser alimentado com o xarope B concomitantemente com a evaporação da água até obter-se uma concentração de 90° a 92°Brix, uma massa A cristalizada contendo cerca de 45 a 57%(peso/peso) de cristais, com tamanho médio de 0,50 a 0,70 mm.

   16. Processo, de acordo com as reivindicações 1 e 14, caracterizado pelo fato de a cristalização da massa B ser conduzida transferindo-se cerca de 1/3 do pé-da-massa A e B (23), para o dispositivo evapo-cristalizador B (26) ser alimentado com o mel A concomitante com a evaporação da água até obter-se uma concentração de 90° a 92°Brix, uma massa B cristalizada contendo cerca de 35 a 55%(peso/peso) de cristais, com tamanho médio de 0,30 a 0,50 mm.

   17. Processo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado em que a massa cristalizada A ser submetida a um dispositivo de centrifugação (25) de modo obter uma

   Petição 870170037601, de 02/06/2017, pág. 37/42
5. 5/5 corrente de licor mãe A dito mel A e cristais de sacarose dito açúcar A.

   18. Processo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado em que a massa cristalizada B ser submetida a um dispositivo de centrifugação (27) de modo obter uma corrente de licor mãe B dito mel B ou melaço e cristais de sacarose, dito açúcar B.

   19. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado em que o xarope A efluente do evaporador EVAP n receber a adição do açúcar B que ser submetido a dissolução no dispositivo dissolvedor (22), gerando um xarope B com pureza superior ao xarope A.

   20. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o xarope concentrado da etapa a etapa de

   70°C, aquecimento até 65 a ii) ser submetido

   receber a dosagem de ácido fosfórico, 100 a 400 ppm, receber a dosagem de sacarato de cálcio ou hidróxido de cálcio pH de 7,0 a 7,2, receber adição de floculante,

   injeção ser flotação antes de microbolhas de ar e cristalizado na etapa (iii).

   21. Processo, de acordo com a reivindicação

   22, caracterizado pelo fato de xarope flotado ser opcionalmente submetido a etapa adicional de purificação em resinas de troca iônica catiônica tipo Na⁺ e aniônica tipo

   Cl^-.

   22. Processo, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de o caldo de cana-de-açúcar ser originário de variedades de variedades de cana-energia.