BRPI0805706A2 - processo para recuperação de água e energia do processamento de cana-de-açúcar em usinas de produção de açúcar e etanol - Google Patents

Abstract

PROCESSO PARA RECUPERAçAO DE AGUA E ENERGIA DO PROCESSAMENTO DE CANA-DE-AçUCAR EM USINAS DE PRODUçAO DE AçúCAR E ETANOL é proposto um processo para recuperação de água no processamento da cana-de-açúcar, em usinas de produção de açúcar e álcool ou apenas de álcool (etanol) , segundo o qual a energia térmica disponível no vapor de escape das turbinas de geração de energia elétrica, é transferida para as diferentes fases de processamento do caldo misto, com o reaproveitamento dos condensados de vapor de escape nas caldeira e do demais condensados ,após aproveitamento térmico, para embebição, na fase de extração de caldo, para resfriamento no processo, após passar por torres de resfriamento , para as demais utilizações industriais e para e para possível tratamento ou utilização na irrigação fora do sistema produtivo na usina.

Description

"PROCESSO PARA RECUPERAÇÃO DE ÁGUA E ENERGIA DOPROCESSAMENTO DE CANA-DE-AÇÚCAR EM USINAS DE PRODUÇÃO DEAÇÚCAR E ETANOL"

Campo da invenção

A invenção em questão está relacionada a um processo paraa recuperação de água e de subprodutos tais comofertilizantes organç-minerais e outros resultantes doprocessamento de cana-de-açúcar em usinas de produção dede açúcar e etanol, de etanol e de açúcar.

Antecedentes da invenção

A água doce é o bem mais precioso e cad,a vez maisescasso. Não se pode imaginar vida sem a presença deágua. Na sociedade industrial, a necessidade de produçãointensiva de alimentos tem acelerado cada vez mais oconsumo dessa fonte. Associados ao consumo de água,grandes volumes de efluentes são gerados. Seu usoracional torna-se questão de fundamental importância àsobrevivência da humanidade. A indústria por sua vez, éuma grande consumidora de água. A título de ilustração,segundo a ABIQUIM (Relatório Atuação de Responsável2006) , a o consumo de água na indústria de cervejaconsome entre 15 a 25 L/ L de cerveja, para a fabricaçãode gasolina de 7 a 10 L/ L, polietileno cerca de 231 L/kg, polpa de papel: 300 a 800 L/ kg e papel fino: 900 a1.000 L/ kg. Na indústria sucroalcooleira o consumo de, água vem sendo reduzido, como ilustram os dados da tabela1. No entanto há um grande potencial a ser aproveitado.

Tabela 1 - Levantamento da captação, consumo e lançamentode águas.

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(l) Dados da PERH (Plano Estadual de Recursos Hídricos)1994/95.

<2) Levantamento CTC, 34 usinas do estado de São Paulo.<3) Levantamento UNICA/ CTC em 2005.Como será demonstrado ao longo desse texto, na indústriasucroalcooleira há um potencial enorme dela passar dacondição de empresa importadora de água para a condiçãode exportadora de água e essa é a principal motivação dainvenção aqui proposta.

Para se ter uma idéia dos volumes de produção envolvidosno setor sucroalcooleiro do Brasil, na safra 06/07,segundo a DATAGRO, foram processadas nas 325 unidades emfuncionamento, 426.613.891 toneladas de cana-de-açúcarcultivadas numa área de 5.340.000 hectares (8,8% da áreaagricultável no Brasil), tendo sido produzidos 17.850.646m3 de bioetanol e 30.606.677 toneladas de açúcar.Paraprodução desses volumes de açúcar e álcool foi necessáriaa captação de cerca de 767.905.004 m3 de água e foramgerados cerca de 214.207.752 m3 de vinhaça e 17.064.556toneladas de torta de filtro

Para melhor entender como se divide o consumo de água egeração de efluentes ao longo do processamento da cana-de-açúcar é apresentada a seguir uma breve descrição doprocesso de fabricação de açúcar e de etanol.

O processo convencional de produção de açúcar, álcool esubprodutos (torta de filtro, cinzas de caldeira, vinhaçae gás carbônico e gases de combustão) compreende asetapas a seguir.

A cana, colhida manualmente ou mecanicamente na lavoura,é encaminhada à indústria, onde é limpa (via seca ouúmida), passa por um processo de preparo onde é picada edesfibrada, sendo alimentada à extração em moendas demúltiplos estágios em contracorrente (normalmente 4 a 6),onde recebe a adição de água no últimoestágio(embebição), ou em difusores, (pouco comum noBrasil). Deste processo inicial resulta o bagaço que éenviado para queima em caldeiras (de média ou altapressão) para geração de vapor e energia elétrica. Omaterial resultante da queima do bagaço é definido pelacinza e pelo gás de combustão. O caldo misto extraído éenviado ao tratamento físico-químico para a fabricação deaçúcar e/ou álcool, dependendo se a usina é anexa(fabrica açúcar e álcool), destilaria autônoma (somenteálcool) ou produtora de açúcar e melaço (mel final).Nas usinas anexas, em média, o equivalente a cerca de 50% da cana processada é encaminhada à fabricação de açúcare 50% à de álcool.

O caldo destinado à fabricação de álcool passa por umtratamento físico-químico específico e é enviado para asdornas de fermentação, juntamente com o mel finalesgotado (licor mãe) proveniente da fabricação de açúcar.Essa mistura, denominada de mosto, passa por processo defermentação alcoólica em tanques agitados (fermentadoresou dornas) utilizando leveduras (Sacharomyces cerevisiae)gerando um mosto fermentado típico contendo de cerca de 6a 11% de etanol.Como subproduto do processo defermentação é gerado, ainda, o gás carbônico numaquantidade, em massa, em relação ao etanol de 1:1 e oóleo fusel (me.nos de 1% em massa) que é separado na etapaposterior de destilação. 0 mosto fermentado resultante éentão submetido à centrifugação onde o fermento éseparado e reciclado, e o vinho contendo o etanol éencaminhado para a destilação. 0 vinho é, normalmente,colocado em contato direto com o vapor em colunas dedestilação gerando duas correntes, etanol no topo e avinhaça no fundo. Em função da utilização de vapor emcontato direto com o vinho há incorporação de condensadona vinhaça, sendo que o volume gerado pode ser algo entre10 e 14 vezes o volume de álcool, dependendo do graualcoólico do vinho. Nesse caso quanto maior o graualcoólico menor é o volume de vinhaça formado e menor aquantidade de vapor consumido por litro de etanolproduzido. Há também o processo de destilação por contatoindireto onde o volume de vinhaça gerado é menor,pois nãohá mistura do vapor de aquecimento com a vinhaça. Nessecaso o volume de vinhaça gerado é da ordem de 6 a 8vezes o volume de álcool e também há geração de umcondensado do vapor utilizado no aquecimento. Normalmenteutiliza-se para o aquecimento e destilação do vinhofermentado o vapor de escape ou o vapor vegetal produzidona pré-evaporação do caldo.

0 caldo misto, destinado à fabricação de açúcar, passapela operação de separação do bagacilho em peneiras tipocush-cush (e/ou peneiras rotativas), é aquecido até cercade 4 0 0C e, dependendo do tipo de açúcar produzido, éencaminhado a sulfitação (normalmente em colunas ouhidroejetores) onde, mediante a adição de dióxido deenxofre resultante da queima do enxofre nos fornos, temseu pH abaixado para cerca de 4,0 a 4,5. . A sulfitaçãonormalmente é utilizada quando o açúcar produzido é oaçúcar cristal branco. Para a produção do açúcar bruto("Raw sugar": tipos VHP, WHP, Demerara ) o caldo não ésubmetido ao processo de sulfitação.

Após a sulfitação, o caldo recebe a adição do leite decal (ou sacarato de cálcio) onde o pH é elevado até cercade 7,0 a 7,20 caldo caleado (ou dosado) é então aquecidoaté cerca de 105°C., Normalmente para aquecimento docaldo misto são utilizados vapores vegetais de sangria daevaporação de caldo, do primeiro (VI), segundo (V2) eterceiro estágio (V3) de evaporação. Sendo a temperaturado vapor V1>V2>V3. A temperatura desses vapores varia deacordo com o número de estágios de evaporação de caldo.

Em seguida,passa por um processo de vaporização ("balãode flash") para remoção de gases dissolvidos, recebendo aadição de um agente floculante (normalmente umpolieletrólito de poliacrilamida) e é então submetido àdecantação em decantadores estáticos (com ou sembandejas). Esta operação também é comumente chamada declarificação.

Do processo de clarificação resultam duas correntes: umade lodo,contendo impurezas removidas do caldo e residualde açúcar e uma outra que é o caldo clarificado contendoa maior parte do açúcar a ser processado. 0 lodo apósreceber a adição de bagacilho separados na esteira debagaço efluente da extração (um tipo de "meio filtrantenatural") recebe a adição do leite de cal e eventualmentepolieletrólito, é então filtrado em filtros rotativos avácuo ou tipo "belt press", gerando-se desta forma, atorta de filtro, que é encaminhada à lavoura, e o caldofiltrado que contém a maioria dos açúcares recuperados dado lodo e é re-enviado ao processo, na seção detratamento do caldo.

O caldo clarificado obtido é encaminhado para aevaporação em evaporadores de múltiplos efeitos a vácuo(normalmente evaporadores tipo Robert de 4 ou 5estágios), gerando-se após o último estágio de evaporaçãoum caldo concentrado, denominado xarope, com umaconcentração de cerca de 65° Brix. 0 sistema operarecebendo vapor de escape no primeiro estágio, que emcontato indireto com o caldo gera um vapor vegetal, que éenviado ao segundo estágio onde aquece uma superfície deevaporação, evaporando o caldo proveniente do primeiroestágio e gerando vapor vegetal. Essa operação se repeteaté o ultimo estágio de evaporação onde a linha de vaporvegetal está conectada a um condensador barométrico decontato direto com água fria (proveniente de um sistemade resfriamento: torres, sprays e etc.).0 caldoconcentrado efluente desse ultimo estágio é denominadoxarope.Uma prática comum para economia de energia térmicaé efetuar a sangria de parte dos vapores produzidos noprimeiro (VI), no segundo(V2) e no terceiro (V3) estágiode evaporação Esse vapores são utilizados nas operaçõesposteriores de evapo-cristalização (cozimento),aquecimento do caldo misto e destilação na fabricação deálcool.

0 xarope obtido na evaporação é encaminhado à etapaposterior de concentração e cristalização, que é efetuadanos evapo-cristalizadores tipo calandra a vácuo emsistemas de duas ou três "massas".

Normalmente, o processo de cristalização convencional, nosistema batelada leva de 3 a 5 horas, e a massa decristais assim obtida é encaminhada a cristalizadoreshorizontais dotados de camisa de resfriamento até atemperatura ambiente.Nessa etapa, o caldo é concentradoaté o ponto de cristalização da sacarose e o vaporutilizado, em contato indireto com xarope é o vapor Vle/ou V2. 0 vapor efluente da concentração do xarope é,normalmente, efetuado em condensadores barométrico andeágua fria entra em contato direto com o dito vaporvegetal. Na operação de evapo-cristalização pode tambémser utilizado equipamento contínuo, comumente empregadopara as massas B e massa C.

A massa cristalizada assim produzida é então submetida aum ciclo de centrifugação, em centrífugas de cesto, ondeos cristais são lavados mediante aplicação de água evapor e então encaminhados à secagem e ensaque.O mel obtido na centrifugação é reutilizado noscozimentos para obtenção dos açúcares de segunda (açúcarB ou magma) e, eventualmente, terceira (açúcar C oumagma), que são também recirculados no processo defabricação do açúcar de primeira. 0 mel final (melaço)originário na massa B no sistema de duas massas, ouoriginário na massa C (sistema de três massas) éencaminhado para fabricação de álcool, juntamente comparte do caldo separado para produção de álcool.Para ascentrifugação das massas intermediárias (B e C) sãoutilizados centrífugas contínuas.

Cabe salientar, ainda, que nas Usinas que produzemsomente etanol, as etapas de extração, geração de vapor eenergia, tratamento do caldo decantação, destilação,desidratação do álcool são idênticas às descritasanteriormente para o caso da Usina anexa. A diferençabásica é que a evaporação do caldo se dá em um únicoestágio de evaporação e o vapor gerado (Vl) é utilizado,normalmente, para a destilação do vinho fermentado. 0caldo pré-evaporado até cerca de 22 a 25% de sólidos éutilizado integralmente para preparo do mosto a serfermentado.

No caso das usinas que produzem somente açúcar segue-seo mesmo esquema de fabricação de açúcar da usina anexa. 0mel ou melaço produzido normalmente é vendido para usinasque produzem etanol e também para outros finsindustriais.

Para a realização das operações unitárias anteriormentedescritas da cana-de-açúcar até o açúcar e o etanol,deve-se basicamente eliminar quase toda água provenienteda matéria-prima(cana) e que representa cerca de 70% dototal. Essa água é removida ao longo das etapas deevaporação do caldo concentração e cristalização doaçúcar do xarope, secagem de açúcar, destilação edesidratação do etanol.

Finalmente, deve-se destacar ainda, que uma prática quevem ganhando espaço no setor sucroalcboleiro é a colheitada cana integral (colmos e palha), isso é, com parte dapalha (palhiço)constituiente da mesma. Parte dessa palhapermanece no campo e a palha carregada com a cana(colmos) é separada na industria e enviada as caldeiraspara geração de vapor e, posteriormente, energia paraconsumo do próprio complexo sucroalcooleiro e também paraexportação para a rede elétrica pública. Essa pratica vemsendo adotada cada vez mais a medida em que a queima dacana vem sendo gradualmente eliminada, com a mecanizaçãodo processo de colheita e a partir da disponibilidade derecursos(investimento) do setor publico para construçãode unidades de co-geração de energia. Com isso há umapossibilidade real de aumento da rentabilidade docomplexo agroindustrial, redução da emissão departiculados e substituição de fontes de energia nãorenovável.

A água também é utilizada no processo como fluido delimpeza, condensação, diluição, solvente, aquecimento,resfriamento, para geração de vapor, para extrairsacarose da cana, controle de emissão de materialparticulado, para consumo entre outros.

Usualmente o circuito de lavagem de cana, formação devácuo e resfriamento da fermentação são circuitosfechados. Porém, o circuito global hídrico não é fechado,pois dificilmente há tratamento das águas residuárias eda vinhaça, ou seja, há perdas que tornam necessária acaptação de água. As águas residuárias e a vinhaça sãolançadas na lavoura num sistema de fertirrigação.

Os principais usos da água e o valor médio sãoapresentados na Tabela 2 ELIA NETO (ELIA NETO, A.:"Workshop sobre cobrança pelo uso de água" - ConvênioAIAA Comitê da Bacia Hidrográfica dos Rios Piracicabas,Capivari e Jundiaí (CBD-PCJ), Piracicaba, 1996) para ocaso de usina com mix de produção de 50% de açúcar e 50%de etanol.

O uso médio estimado de água, conforme a Tabela 2, é de21,00 m3/ t cana.

Esse valor corresponde a níveis de captação, consumo elançamento muito menores, pela reutilização de água.Pode-se resumir esse consumo em três grandes categorias:processo, 29,8%; resfriamento, 40,2% e vácuo, 30%.Observa-se que somente com a eliminação da lavagem decana seria possível reduzir cerca de 50% da captação deágua. Essa operação requer um volume de água elevado e umconsumo igualmente elevado, pois necessita de constantespurgas de efluente com elevada carga de DBO o que leva auma maior quantidade de água de reposição ou ("makeup") .Esses números dão um indicativo do quanto pode serfeito no setor sucroalcooleiro no sentido da redução deconsumo de água.Embora o setor venha implementandomedidas para redução da captação de água e despejo derejeitos, como aponta ELIA NETO em seu estudo realizadono Estado de São Paulo (ELIA NETO, A. : "Workshop sobrecobrança pelo uso de água" - Convênio AIAA Comitê daBacia Hidrográfica dos Rios Piracicabas, Capivari eJundiaí (CBD-PCJ) , Piracicaba, 1996) , observa-se que oconsumo no setor é bem maior que aquele observado emoutros setores. Em 2006 a indústria química captou emmédia 7,25 m3 de água/ t de produto fabricado (Abiquim2006),enquanto que para produção somente de etanol,considerando-se a produtividade de 84 L etanol/ t de canaa captação de 1,83 m3/ t cana (ÚNICA, 2005), seriamconsumidos 2 8 m3 água/ t etanol produzido, o que indicaum consumo aproximadamente 4 vezes maior que a média daindústria química.

A tabela 2 abaixo, apresenta osvalores médios dos usos de águaem usinas de açúcar e etanol(CTC-1995).

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Além das questões ambientais envolvidas, o elevadoconsumo de água e geração de efluentes poderá, num futuropróximo, comprometer a rentabilidade do negócio, uma vezque há indicações de que, no Brasil, haverá cobrança pelacaptação e uso da água. Em 2 007, no Estado de São Pauloiniciou-se a cobrança dos usuários de recursos hídricospelos volumes de captação, consumo e lançamento deefluentes com carga orgânica. Essa cobrança se dá porforça da Lei Estadual 12.183/05, regulamentada peloDecreto Estadual n° 50.667/06. A cobrança é feita deforma descentraliza para cada um dos 21 Comitês de BaciasHidrográficas do Estado de São Paulo, já que possuem ummelhor conhecimento das condições dos recursos hídricos(disponibilidade, qualidade, captação etc.) de cadaregião do Estado. Atualmente, a cobrança é limitada a R$0,01 por metro cúbico captado; R$ 0,02 por metro cúbicoconsumido; e ao triplo da soma dos dois primeiro paracada metro cúbico de efluente lançado de volta nos corposd'água. Não há dúvida que, com a cobrança que atribui umvalor econômico à água, haverá uma natural indução para aredução de captação e consumo e melhor uso desta.

Diversos estudos demonstram que a água contida na cana-de-açúcar é mais que suficiente para o processamentoindustrial da mesma, sendo que, por reciclagem e reuso, oconsumo de água externa pode ser minimizado (HSIEH, W.D.,Η. K. SHEEN and C.H. CHEN (1995) . An approach to zeroeffluent in cane sugar factories. (Proceeding of theCongress of the International Society of Sugar CaneTechnologists - September 1995, Cartagena). LIMA e outrosdestacam em seu livro (LIMA, U. DE A.; AQUARONE, E.;BORZANI, W. E SCHMIDELL, W. et al (2 001) que uma toneladade cana-de-açúcar moída produz em média 850 litros decaldo, do qual entre 78-86% é água, de 10 a 20% ésacarose, de 0,1 a 2% é de açúcares redutores, 0,3 a 0,5% é de cinzas e entre 0,5 e 1,0% são compostosnitrogenados (LIMA, U. DE A.; AQUARONE, E.; BORZANI, W. ESCHMIDELL, W. et al(2001). Biotecnologia Industrial,Processos Fermentativos e Enzimáticos.Volume 3. Brasil.Editora Edgard Blucher Ltda. RIBEIRO (RIBEIRO, W. M. S.(1995) . 3o Seminário da empresa Dearborn para o setorsucroalcooleiro,1995, Ribeirão Preto - SP, 1995) destacaque o reciclo e o reuso da água no processo produtivopodem ser economicamente viáveis a partir do momento emque a implantação desses processos direcione a empresa nosentido de: redução de custo com tratamento de efluentese disposição de Iodos; redução de custo com água captada(em caso de cobrança); diminuição no nível e freqüênciasde monitoração de efluentes; gestão ambiental adequadados recursos hídricos e efluentes, evitando autuações pororganismos de fiscalização. Conforme esse mesmo autor, aimplantação dos processos de reuso e reciclo da água,basicamente seguem etapas como: auditoria global daunidade produtiva, levantando dados e sistematizando obalanço hídrico; identificação das correntes de maior emenor impacto, principalmente no que tange a vazões epotenciais poluidores; seleção de processos alternativosde tratamento para os casos em que o reuso não foraplicável e que seja necessário o condicionamento préviopara reutilização no processo; identificação dereaplicação da água, caracterizando reuso ou reciclo;realização de testes em planta e simulação para avaliar aviabilidade técnica da implantação da alternativa;avaliação de testes, simulação e implantação.KESSERLINGH, S.M (MINIMIZAÇÃO E REUSO DE ÁGUAS EMINDÚSTRIAS SUCROALCOOLEIRAS: ESTUDO DE CASO, Dissertaçãode Mestrado, Escola de Engenharia de São Carlos,Universidade de São Paulo, 2002) descreve detalhadamentea questão do consumo elevado de água nas indústriassucroalcooleiras e a conseqüente geração de efluenteslíquidos que impactam o meio ambiente. Nesse trabalho, éapresentada uma extensa revisão bibliográfica do estadoda arte do uso da água no setor sucroalcooleiro bem comode projetos para programa de efluente zero.

Sumário da invenção

Em função das limitações da técnica anterior, a invençãotem, por objetivo, prover um processo para a recuperaçãode água e energia de cana-de-açúcar em usinas de produçãode álcool(etanol) ou de açúcar produção objeto dessainvenção compreende, numa das formas de realização dainvenção, caso de usinas produtora de açúcar e álcool(etanol), as etapas de (a)submeter a cana-de-açúcar a umaoperação de extração de caldo com embebição porcondensados recuperados de vapor vegetal;(b) tratar epurificar o caldo extraído, utilizando condensado devapor vegetal, vapor vegetal de evaporação e insumos eproduzindo um fluxo de caldo clarificado, um fluxo delodo e um fluxo de condensado de vapor vegetal;(c) trataro fluxo de lodo, produzindo uma torta de filtro e umfluxo de caldo recuperado que é retornado à etapa detratar e purificar o caldo; (d) submeter parte do fluxode caldo clarificado a uma unidade de evaporação demúltiplos efeitos a vácuo, sob aquecimento por vapor deescape da unidade de geração de energia, produzindo: umcondensado de vapor de escape, a ser retornado, pelomenos em parte, à unidade de geração de energia; pelomenos um fluxo de vapor vegetal de evaporação; um fluxode vapor vegetal de último efeito; um fluxo de condensadode vapor vegetal; e um fluxo de xarope;(e) concentrar oxarope até o ponto de cristalização de parte da sacarosenele contida sob aquecimento com pelo menos parte dofluxo de vapor vegetal produzido na unidade deevaporação, produzindo um fluxo de vapor vegetal decristalização, um fluxo de condensado de vapor vegetal eum fluxo de produto cristalizado(massa cristalizada);(f)centrifugar o produto cristalizado, produzindo um fluxode mel (melaço) e um fluxo de açúcar a ser secado eensacado;(g)misturar o restante do fluxo de caldoclarificado com o fluxo de melaço em proporções adequadasà fermentação e resfriar o mosto resultante por trocatérmica indireta, com pelo menos um dos meios definidospor um fluxo de caldo misto extraído e um fluxo de águade condensado de vapor vegetal, na temperatura de bulboúmido correspondente à temperatura ambiente, circulandopor uma unidade de torre de resfriamento;(h) manter atemperatura da fermentação entre 2 5 e 36°C,preferivelmente 30-32°C, por troca térmica indireta comum fluxo de água de condensado de vapor vegetalcirculando por uma unidade de torre de resfriamento; (i)fermentar o mosto resfriado, produzindo um fluxo devinho, e destilar o vinho para produzir etanol e vinhaça.

De acordo com a invenção:

o caldo extraído (caldo misto) é pré-aquecido noresfriamento do mosto e aquecido por troca térmicaindireta regenerativa com pelo menos um dos fluxos devapor vegetal de último efeito da unidade de evaporação ede vapor vegetal de cristalização, transformando ditosfluxos de vapor em fluxos de condensado de vapor vegetal;

a etapa de destilar o vinho é realizada com oaquecimento indireto do vinho por pelo menos um dos meiosdefinidos: por parte do fluxo de vapor vegetal deevaporação; por parte do fluxo de vapor de escape; e porum fluxo de vapor vegetal de vinhaça, produzindo um fluxode vapor alcoólico e pelo menos um dos fluxos decondensado de vapor vegetal e de vapor de escape;

- o fluxo de vapor alcoólico é condensado por trocatérmica indireta com pelo menos um dos fluxos de vinhofermentado e de água de condensado de vapor vegetal daunidade da torre de resfriamento;

- a vinhaça é submetida a uma unidade de evaporação devinhaça, de múltiplos efeitos, sob aquecimento por vaporvegetal de evaporação, produzindo: pelo menos um fluxo devapor vegetal de vinhaça; um fluxo de vapor vegetal devinhaça de último efeito; um fluxo de condensado de vaporvegetal; e um fluxo de vinhaça concentrada;

- o vinho, a ser destilado, é pré-aquecido por trocatérmica indireta com pelo menos um dos meios definidos,pelo fluxo de vapor vegetal de vinhaça de último efeito,por um fluxo de vapor alcoólico de um estágio dedestilação, produzindo um fluxo de condensado de vaporvegetal e um fluxo de condensado alcoólico;

- o excesso dos fluxos de condensado de vapor vegetal,não utilizado no processo é enviado, pelo menos em parte,à unidade da torre de resfriamento e, se aindadisponível, armazenado para posterior tratamento.

Em uma outra forma de realização da invenção, caso deusina produtora de etanol, o processo compreende asetapas de: (a) submeter a cana-de-açúcar a uma operação deextração de caldo com embebição por condensado de vaporvegetal; (b) tratar e purificar o caldo extraído,utilizando condensado de vapor vegetal, vapor vegetal depré-evaporação e insumos e produzindo um fluxo de caldoclarificado, um fluxo de lodo e um fluxo de condensado devapor vegetal;(c) tratar o fluxo de lodo, produzindo umatorta de filtro e um fluxo de caldo recuperado que éretornado à etapa de tratar e purificar o caldo;(d)submeter o fluxo de caldo clarificado a uma unidade depré-evaporação, sob aquecimento por vapor de escape daunidade de geração de energia, produzindo: um condensadode vapor de escape, a ser retornado, pelo menos em parte,à unidade de geração de energia; um fluxo de vaporvegetal de evaporação; e um fluxo de caldo pré-evaporado;(e) resfriar o caldo pré-evaporado por trocatérmica indireta com pelo menos um dos meios definidospor um fluxo de parte do caldo da extração (caldo misto)e um fluxo de condensado de vapor vegetal circulando poruma unidade de torre de resfriamento;(f) fermentar omosto resfriado constituído de caldo pré-evaporado,produzindo um fluxo de vinho, e destilar o vinho paraproduzir etanol e vinhaça.

De acordo com a invenção:

- de o caldo extraído (caldo misto) é aquecido por trocatérmica indireta, antes de seu tratamento físico-químico,com pelo menos um dos meios definidos por um fluxo decaldo pré-evaporado e fluxos de condensado de vaporvegetal recuperados no processo;

o caldo extraído, submetido ao tratamento físico-químico, é aquecido para cerca de 105° a 110°C, por trocatérmica indireta com o fluxo de vapor vegetal de pré-evaporação, transformando esse último em um fluxo decondensado de vapor vegetal;

a etapa de destilar o vinho é realizada com oaquecimento indireto do vinho por pelo menos um dos meiosdefinidos: por parte do fluxo de vapor vegetal de pré-evaporação; por parte do fluxo de vapor de escape; e por''um fluxo de vapor vegetal de vinhaça, produzindo um fluxode vapor alcoólico e pelo menos um dos fluxos decondensado de vapor vegetal e de vapor de escape;

o fluxo de vapor alcoólico é resfriado por trocatérmica indireta com pelo menos um dos fluxos de vinhofermentado e de água condensada de vapor vegetal daunidade da torre de resfriamento;

- a vinhaça é submetida a uma unidade de evaporação devinhaça, de múltiplos efeitos a vácuo, sob aquecimentopor vapor vegetal de pré-evaporação, produzindo: um fluxode vapor vegetal de vinhaça; um fluxo de vapor vegetal devinhaça de último efeito; um fluxo de condensado de vaporvegetal; e um fluxo de vinhaça concentrada;

- o vinho, a ser destilado, ser pré-aquecido por trocatérmica indireta com pelo menos uma parte dos fluídosdefinidos por um fluxo de vapor alcoólico de um estágiode destilação e por um fluxo de vapor vegetal de vinhaçade último efeito, produzindo um fluxo de condensado devapor alcoólico e um fluxo de condensado de vapor vegetalde vinhaça;

- o excesso dos fluxos de condensado de vapor vegetal,não utilizado no processo, é enviado, pelo menos emparte, à unidade da torre de resfriamento e, se aindadisponível, armazenado para posterior tratamento.

Em uma outra forma de realização da invenção, caso deusina produtora de açúcar, o processo compreende asetapas de: (a) submeter a cana-de-açúcar a uma operação deextração de caldo com embebição por condensado de vaporvegetal;(b) tratar e purificar o caldo extraído,utilizando condensado de vapor vegetal, vapor vegetal deevaporação e insumos e produzindo um fluxo de caldoclarificado, um fluxo de lodo e um fluxo de condensado devapor vegetal;(c) tratar o fluxo de lodo, produzindo umatorta de filtro e um fluxo de caldo recuperado que éretornado à etapa de tratar e purificar o caldo;(d)submeter parte do fluxo de caldo clarificado a umaunidade de evaporação de múltiplos efeitos a vácuo, sobaquecimento por vapor de escape da unidade de geração deenergia, produzindo: um condensado de vapor de escape, aser retornado à unidade de geração de energia; pelo menosum fluxo de vapor vegetal de evaporação; um fluxo devapor vegetal de último efeito; um fluxo de condensado devapor vegetal; e um fluxo de xarope;(e) concentrar oxarope até o ponto de cristalização de parte da sacarosenele contida sob aquecimento com pelo menos parte dofluxo de vapor vegetal produzido na unidade deevaporação, produzindo um fluxo de vapor vegetal decristalização, um fluxo de condensado de vapor vegetal eum fluxo de produto cristalizado(massacristalizada);(f)centrifugar o produto cristalizado,produzindo um fluxo de mel (melaço) e um fluxo de açúcara ser secado e ensacado.

De acordo com a invenção:

- o caldo extraído (caldo misto) é aquecido, pelo menosem parte, por troca térmica indireta com pelo menos umdos fluxos de vapor vegetal de último efeito da unidadede evaporação e de vapor vegetal da etapa de concentrar oxarope para cristalização, transformando ditos fluxos devapor em fluxos de condensado de vapor vegetal;

- o excesso dos fluxos de condensado de vapor vegetal,não utilizado no processo, é enviado, pelo menos emparte, à unidade da torre de resfriamento e, se aindadisponível, armazenado para posterior tratamento.

Dessa forma, as empresas do setor passam da condição deimportadoras de água para a situação de exportadoras,gerando sua própria energia a partir de fonte renovável eexportam-na para irrigação e/ou rede pública, transformamos resíduos sólidos gerados na fabricação de açúcar(torta de filtro) e etanol (torta de filtro e vinhaça) enas caldeiras (cinzas e gás de chaminé para aquecimento)em um fertilizante orgâno-mineral sólido granulado. 0resultado é um menor consumo de combustíveis fósseis, apreservação do meio ambiente, economia de recursos comcaptação de água e disposição de rejeito, redução dafrota para transporte e dos equipamentos utilizados notransporte e de distribuição de vinhaça, cinza etorta;economia na compra de fertilizante pelarecirculação dos rejeitos sólidos rico em nutrientes(principalmente potássio),um menor custo operacional epossivelmente, no futuro, exportação de água para redepública. O resultado final é uma melhora da rentabilidadedo complexo energético sucro-alcooleiro de formasustentável.

Breve descrição dos desenhos

A invenção será a seguir descrita, fazendo-se referênciaaos desenhos anexos, dados a título de exemplo depossíveis formas de realização da invenção e nos quais:

A figura 1 representa um fluxograma simplificado doprocesso da invenção quando aplicado na produção deaçúcar e álcool;

As figuras IA e IB representam, em conjunto, o fluxogramada figura 1 em maiores detalhes, sendo a figura IAvoltada às etapas de produção do açúcar e sendo a figuraIB voltada às etapas de produção do álcool;

A figura 2 representa um fluxograma simplificado doprocesso da invenção, quando aplicado na produção deálcool;

As figuras 2A e 2B representam, em conjunto, o fluxogramada figura 2 em maiores detalhes;

A figura 3 representa um fluxograma simplificado doprocesso da invenção, quando aplicado na produção deaçúcar;

As figuras 3A e 3B representam, em conjunto, o fluxogramada figura 3 em maiores detalhes;

A figura 4 representa o fluxograma de processo paraprodução de etanol anidro e que é aplicável tanto aoprocesso definido no fluxograma das figuras 1, IA e IBcomo ao processo definido no fluxograma das figuras 2, 2Ae 2B; e

As figuras 5 e 6 representam gráficos ilustrando osexcedentes de água obtidos nas diferentes fases deprocessamento de cana-de-açúcar em usinas de produção deaçúcar e etanol e em usinas de etanol, respectivamente.

Descrição da invenção

Produção de açúcar e etanol

No processo de produção integrada de açúcar e etanol,energia,fertilizante orgâno-mineral e recuperação de água(ver figuras 1, IA e 1B) a cana e a palha são trazidasda lavoura e introduzidas no processo de fabricação. Apalha pode ser trazida separadamente da cana oujuntamente com a cana,preferivelmente junto com a cana,sendo separada da mesma na entrada do processo. A cana,por sua vez, é submetida à limpeza no sistema de limpezaa seco, LPl e segue para a etapa de extração em EXl, ondeé submetida ao preparo adequado para então ser submetidaao processo de extração do caldo. No processo deextração, a cana recebe a adição de condensadosrecuperados do processo de fabricação. Essa operação édenominada embebição. Nessa etapa, é gerado o bagaço e ocaldo misto. 0 bagaço, contendo cerca de 50% de umidade,é enviado, juntamente com a palha, para queima na unidadegeradora de vapor de alta pressão UGl. 0 vapor de altapressão, gerado nessa unidade, é encaminhado a umaunidade de turbo-geradores de energia TGl, onde háprodução de energia elétrica para o processo defabricação e também para exportação do excedente pararede elétrica pública. Nessa etapa, também é gerado vaporde escape para utilização no processo de fabricação deaçúcar, etanol e fertilizante orgâno-mineral (vapor deescape a cerca de 127-130°C e a cerca de 2,5 kgf/cm2 depressão absoluta) e condensados desse vapor que retornampara a unidade geradora UGl. 0 caldo misto é dividido emduas correntes adequadamente separadas no processo deextração em EXl.Cerca de 50% do caldo misto é enviadopara a fabricação de açúcar (figura IA) e o restante parafabricação de etanol (figura 1B) . A fração destinada àfabricação de açúcar é aquecida em um dispositivo deaquecimento regenerativo indireto ARl onde troca calorcom parte de condensados de vapor vegetal recuperados doprocesso e, em seguida, com um vapor V3, obtido em umevaporador E3 de uma unidade de evaporação UE a sercomentada adiante. 0 caldo misto, efluente desse sistemade aquecimento, deve ter uma temperatura entre 40-50°C epassará, em seguida, pelo processo de sulfitação atéalcançar um pH de cerca de 4,0-4,8 (caso açúcar cristalbranco seja produzido) e calagem até um pH de cerca de6,8 - 7,5 em uma unidade de tratamento TRl. 0 caldotratado é então aquecido, por contato indireto, em umaunidade de aquecimento AQl, com vapor V2 proveniente deum segundo evaporador E2 de caldo, a ser comentadoadiante e, em seguida, aquecido com vapor VI, oriundo doprimeiro evaporador El. 0 caldo assim aquecido deve estara uma temperatura entre 105 e IlO0C, passa por um balãode flash, para eliminação de gases dissolvidos, recebe aadição de um agente floculante (polieletrólito-normalmente uma poliacrilamida) e segue para uma unidadede decantação DCl. Nessa etapa, as impurezas do caldo(não açúcares) são, em grande parte, removidas, gerandouma corrente denominada lodo, que contêm os não açúcaresremovidos (proteínas, aminoácidos, clorofila,antocianina, impurezas minerais, compostos coloridos,bagacilhos entre outros) e parte do açúcar arrastado(contido no caldo que envolve o lodo) , e uma outracorrente que é o caldo purificado, denominado caldoclarificado.

O caldo clarificado é então encaminhado a uma unidade deevaporação UE de caldo, geralmente formada por umapluralidade de evaporadores El, E2,....EN, definindomúltiplos efeitos em cascata. O caldo clarificado éalimentado no primeiro evaporador El de contato indireto,onde troca calor com o vapor de escape produzido naunidade de turbo-geradores TGl. Nessa etapa, parte daágua contida no caldo é evaporada, gerando-se, assim, umacorrente de vapor vegetal, VI. Esse vapor é alimentado nosegundo evaporador E2, onde troca calor com o caldoparcialmente concentrado e efluente do primeiroevaporador El. Dessa forma, gera-se o vapor V2 que éencaminhado ao terceiro evaporador E3, onde, através decontato indireto com o caldo efluente do segundoevaporador E2, gera-se o vapor V3. O mesmo ocorre,sucessivamente, até que se atinja o último evaporador En.No último evaporador En, sob um vácuo de cerca de 2 5 inde HG°, é gerado um vapor final Vn que, através dedispositivo de contato indireto, troca calor com o caldomisto e é então condensado em um primeiro condensadorCDl. 0 caldo misto aquecido(uma fração adequada do total,suficiente para condensação do vapor referendado) éenviado para a alimentação da etapa onde se dá oaquecimento regenerativo ARI. 0 condensado, gerado noprimeiro evaporador El, é coletado em um primeirocompartimento Tl e retorna para a unidade geradora devapor UGl. 0 condensado, gerado no segundo evaporador E2,passa por um segundo compart imento T2, onde éparcialmente transformado em vapor, pela diferença depressão entre os evaporadores, retornando para o terceiroevaporador E3. A parte líquida efluente do segundocompartimento T2 é encaminhada para um terceirocompartimento T3 onde novamente passa por um processo deevaporação parcial, sendo encaminhada para o quartoevaporador E4. A parte líquida segue para o compartimentoseguinte, repetindo-se o processo até que se atinja oúltimo evaporador En. Os condensados provenientes dosegundo ao último evaporador E2 a En e do primeirocondensador CDl são misturados e enviados para utilizaçãono processo.

Nessa etapa, o número adequado de efeitos evaporativos éde 4 a 6, pref erivelmente 5. 0 condensado recuperado noprimeiro efeito evaporativo não deve ser misturado aodemais condensados, mas enviado diretamente paraalimentação de água da caldeira, após passar por umprocesso de abrandamento e preferencialmente osmosereversa para eliminação de íons. Para um bomaproveitamento térmico, o condensado gerado no segundoevaporador E2 deve circular para o terceiro evaporadorE3 e desses para o evaporador subseqüente, sucessivamenteaté o último evaporador En, recuperando, com isso, partedo potencial térmico contido nos condensados (economia decerca de 5 %).

O caldo concentrado efluente da unidade de evaporação UE,denominado xarope, a uma concentração de cerca de 60-65°Brix é encaminhado para uma unidade de cristalização deaçúcar UC.

A unidade de cristalização de açúcar UC pode ser de duasmassas, AeB, ou três massa A, B e C. A figura IAilustra uma unidade de cristalização UC de três massas. Oxarope, obtido anteriormente, é alimentado no cozedor(evapo-cristalizador) M-A,que recebeu açúcar B após umaconcentração adequada do xarope (ponto de semeadura) ,sendo adequadamente evaporado e cristalizado até quecristais de açúcar atinjam um tamanho adequado. Omaterial cristalizado, contendo cerca de 50-55% decristais de açúcar e denominado massa A, é alimentado numdispositivo de centrifugação CA onde os cristais sãoseparados do mel A (licor mãe) . Os cristais são lavadoscom adição de condensado e vapor Vl para remoção do melresidual remanescente da centrifugação inicial, gerando oaçúcar úmido A. 0 mel A é encaminhado para o cozimento Bjuntamente com o açúcar C (magma) que é adicionado após omel A atingir o ponto de semeadura. Identicamente à massaA, o mel A é evaporado e adequadamente cristalizado nocristalizador M-B, gerando a massa B rica em cristais,que é centrifugada, lavada com condensado e vapor nodispositivo de centrifugação CB, gerando-se o açúcar Bque é alimentado, adequadamente, como pé-de-cristalização(semeadura)da massa A. A massa C é obtida através daevaporação do mel B que é adequadamente cristalizado apartir da adição de um gérmen de cristalização nocristalizador M-C, gerando a massa C rica em cristais,que é centrifugada, lavada com condensado e vapor nodispositivo de centrifugação CB, gerando-se o açúcar C(magma C) que é alimentado como pé-de-cristalização damassa Β. 0 mel C (melaço) separado é enviado para acomposição do mosto juntamente com a outra fração decaldo separado para a fermentação e produção de etanol. 0açúcar A é encaminhado para a seção de secagem SAl e, emseguida, para a seção de ensaque ESI.

Nos cozedores a vácuo em que se alimenta xarope e méis, oaquecimento e a evaporação são efetuados através daadmissão de vapor Vl ou V2 ou V3, pref erivelmente V2 ouV3, a condensação do vapor resultante da evaporação doxarope e méis passando a ser efetuada através dedispositivo de troca térmica indireta, em que o fluidofrio pode ser o caldo misto ou vinho (no caso de usinasanexas) em substituição ao sistema de condensação porcontato direto, em condensadores barométricos queutilizam água numa proporção de cerca de 35-37 vezes amassa de vapor.

A fração de caldo misto separado para a produção deetanol passa por um aquecimento em pelo menos duas etapasem um respectivo dispositivo de aquecimento regenerativoAR2, onde é aquecido em dispositivo de contato indireto,trocando calor com o caldo clarificado gerado e,posteriormente, na unidade de aquecimento AQ2. O caldomisto, efluente, é aquecido na primeira etapa até cercade 40-50°C. Esse caldo recebe, então, a adição de cal atéum pH de cerca de 6,0-6,8 e é submetido a uma nova etapafinal de aquecimento indireto na unidade de aquecimentoAQ2. Nessa etapa troca calor com o vapor V2 eposteriormente VI, obtendo uma temperatura final do caldode cerca de 105-110°C, passa por balão de flash paraeliminação de gases dissolvidos, recebe a adição de umagente floculante (polieletrólito) e segue para umarespectiva unidade de decantação DC2. Os condensadosresultantes da condensação de Vl e V2 são encaminhadospara o processo para reutilização. Igualmente ao queocorre para a fração de caldo para fabricação de açúcar,as impurezas do caldo (não açúcares) são, em grandeparte, removidas, gerando uma corrente denominada lodo,que contêm os não açúcares removidos (proteínas,aminoácidos, clorofila, antocianina, impurezas minerais,compostos coloridos, bagacilhos entre outros) e parte doaçúcar arrastado e uma outra que é o caldo purificado,denominado caldo clarificado.0 caldo clarificado é entãoencaminhado para o preparo do mosto, misturando-seproporções adequadas de caldo com o melaço, até obter-seuma concentração ajustada ao processo de fermentação.

0 mosto, destinado à fermentação, deverá passar ainda porum processo de peneiramento para eliminação de bagacilhosresiduais, preferencialmente, em telas com abertura menorou igual 0,10 mm. Esse caldo, eventualmente, poderápassar por um processo de pré-evaporação para aumentar aconcentração de açúcares fermentescíveis no mosto.0 mosto é, então, resfriado em RMl até cerca de 28-32°C,utilizando dispositivo de contato indireto que utiliza,como fluido frio, água recuperada de condensados de vaporvegetal, resfriados em uma torre de resfriamento TR. 0mosto passa por processo de fermentação alcoólica naseção de fermentação FEl utilizando leveduras (cepas deSacharomyces cerevisiae) , gerando um mosto fermentadocontendo cerca de 6 a 16% de etanol, preferivelmente maisque 10%.

A fermentação alcoólica deve ser ajustada para se obterum grau alcoólico final entre 6 e 16°GL, maispreferivelmente acima de IO0GL. Isso é conseguidotomando-se cuidados como, melhorando-se a assepsia eefetuando-se um pré-tratamento do mosto, por exemplo, porprocesso de decantação ou flotação do mosto, operar commosto mais concentrado e constituído preferencialmente demaior quantidade de caldo pré-evaporado, bommonitoramento do processo de fermentação, boa eficiênciano processo de centrifugação do fermento, bom tratamentodo fermento no pé-de-cuba, manutenção da temperatura defermentação em torno de 30-320C (equipamentos eficientesde remoção de calor da fermentação), utilizando-sefermento selecionado a partir de cepas adaptadas àscondições, preferencialmente, na própria usina e queapresentaram bom desempenho e, finalmente através de umbom monitoramento do processo como um todo.

O resfriamento na seção de fermentação FEl é efetuado pordispositivos de troca térmica indireta e cujo fluido frioé a água de condensado de vapor vegetal proveniente deuma torre de resfriamento TR. O mosto fermentado passaentão por um processo de separação do fermento porcentrifugação, gerando um vinho fermentadosubstancialmente isento de fermento que será encaminhadopara a dest ilação em que se obtêm, no topo, após acondensação, um binário etanol-água, com cerca de 40-55%(peso/peso)de etanol, denominado flegma. O fermento,após tratamento adequado, retorna para o processo defermentação. O vinho produzido na seção de fermentaçãoFEl é submetido à destilação para a obtenção de etanol96°G1, compreendendo duas etapas. A primeira etapa se dána seção de destilação Dl onde o vinho é colocado emebulição, à pressão atmosférica em dispositivo de trocatérmica indireta, em um sistema refervedor RFl, obtendo-se, na parte inferior do sistema (fundo), a vinhaça,quecontêm os constituinte sólidos do vinho, água e um teoralcoólico residual menor que 0,05% e, na parte superior(topo), vapores alcoólicos contendo uma graduação entre40 e 55°GL (flegma). O fluido quente utilizado nessaetapa, no sistema refervedor RFl, é o vapor Vl podendo,entretanto também ser um vapor de escape ou um vaporvegetal proveniente da concentração de vinhaça. Osvapores alcoólicos, obtidos no topo dessa primeira etapa(flegma), são enviados a segunda etapa em uma seção dedestilação D2. Nessa etapa, o flegma é alimentado emcontracorrente, em fluxo ascendente, onde entra emcontato com parte dos condensados de topo recirculados,em um segundo condensador CD2. A condensação dessesvapores efluentes, dessa segunda etapa de destilação, sãocondensados em um dispositivo de troca térmica indireta,que utiliza dois ou mais seções de condensação, sendo,que na primeira etapa, compreendendo o segundocondensador CD2, é utilizado, como fluido frio, o vinhofermentado que alimenta a seção de destilação Dl e umasegunda etapa que utiliza água de condensado de vaporvegetal, proveniente da torre de resfriamento TR, em umterceiro condensador CD3. O etanol (hidratado) assimobtido possui uma graduação alcoólica de cerca de 96°GL.

A vinhaça é encaminhada para evaporação em uma unidade deevaporação de vinhaça UEV, em múltiplos efeitos a vácuo,em sistema de cascata, VHl A VHN. São geralmente providosde quatro a sete evaporadores de vinhaça, preferivelmentecinco, por exemplo na forma de evaporadores de películadescendente. Nessa etapa, a vinhaça é alimentada noevaporador de vinhaça VHI, de contato indireto, ondetroca calor com o vapor vegetal Vl produzido no primeiroevaporador El. Nessa etapa parte da água contida navinhaça é evaporada, gerando-se assim uma corrente devapor vegetal, Wl. Esse vapor é alimentado integralmenteou em parte em um outro evaporador de vinhaça W2 ondetroca calor com o caldo parcialmente concentrado,efluente do primeiro evaporador VHl. Dessa forma gera-seo vapor W2 que é encaminhado a um terceiro evaporador devinhaça VH3 onde, através de contato indireto com o caldoefluente de VH2 gera-se o vapor W3. 0 mesmo ocorresucessivamente até que se atinja o último evaporador devinhaça VHN. No último evaporador de vinhaça VHN, sob umvácuo de cerca de 25 in de HG°, é gerado um vapor finalWN que, através de um quarto condensador CD4, trocacalor com o vinho e é então condensado. 0 vinho aquecidoé enviado para a alimentação do segundo condensador CD2.O condensado gerado no evaporador de vinhaça VHl, passapor um primeiro compartimento TVl, onde é parcialmentetransformado, pela diferença de pressão entre osevaporadores, em vapor que retorna para o segundoevaporador de vinhaça VH2. A parte líquida efluente de umsegundo compartimento TV2 é encaminhada para um terceirocompartimento TV3 onde novamente passa por um processo devaporização parcial e é encaminhado para o terceiroevaporador de vinhaça VH3. A parte líquida segue para ocompartimento seguinte, repetindo-se o processo até quese atinja o último evaporador de vinhaça VHN. Oscondensados dos evaporadores de vinhaça de VHl a VHN e doquarto condensador CD4 são misturados e enviados parautilização no processo.

O vapor efluente do último efeito evaporativo, sob umvácuo de cerca de 25 polegadas de Hg°, é condensado emdispositivo de troca térmica indireta, geralmentedefinido pelo quarto condensador CD4 e o fluidocondensante pode ser pelo menos um dos fluidos definidosdentre o vinho ou caldo misto ou água recuperada decondensados de vapor vegetal e resfriada na torre deresfriamento TR. Dá-se preferência que seja o vinho e/ouo caldo por permitir uma recuperação de energia térmica.

Os condensados gerados nessa etapa, após o aproveitamentotérmico, são encaminhados para tratamento e posteriorreutilização no processo ou para exportação.

A vinhaça concentrada efluente dessa unidade, definindouma fonte de Ν, P, Ke micronutrientes, apresenta umaconcentração de cerca de 30-65% (peso/peso) de matériaseca é encaminhada para a unidade de fabricação defertilizante orgâno-mineral (F.0.M.).Nessa etapa a tortade filtro proveniente da estação de filtração de lodo FTlé misturada com cinzas da unidade geradora de vapor UGl,no sistema de mistura MSI. A mistura é encaminhada parauma seção de secagem STl, para remoção de parte da águanela contida. A mistura efluente da seção de secagem STlé impregnada com vinhaça concentrada em um segundodispositivo de mistura MS2 e em seguida encaminhada paraum dispositivo de secagem e granulação SGl, removendo-separte da água nela contida. 0 produto é um sólidogranulado com cerca de 10% de umidade, denominado defertilizante orgâno-mineral (F.O.M).

Adotando-se os procedimentos e operações anteriormentedescritas é possível produzir, a partir de uma toneladade cana (tc), um excedente de água de cerca de 280 a 300kg,uma produção de cerca de 50-70 kg de fertilizanteorgâno-mineral (10% de umidade) , a exportação de energiaelétrica de cerca de 68,8 kWh, uma produção açúcar decerca de 68 kg (0,05% de umidade) e de cerca de 3 6,5 kgde etanol.

Produção de etanol

No processo de produção de etanol, energia, fertilizanteorgâno-mineral e recuperação de água, a cana e a palhasão trazidas da lavoura e introduzidas no processo defabricação (ver figuras 2, 2a E 2b), sendo a cana.zidasno processo de fabricação submetida à limpeza em umsistema de limpeza a seco LPl e a uma etapa de extraçãoem EXl, onde recebe a adição (embebição) de condensadosde vapor vegetal recuperados do processo de fabricação,gerando o bagaço e o caldo misto, da mesma maneira jádescrita para as usinas anexas. 0 bagaço, contendo cercade 50% de umidade, é enviado, juntamente com a palha,para queima na unidade geradora de um vapor de altapressão UGl, que é encaminhado a uma unidade de turbo-geradores de energia TGl, onde há produção de energiaelétrica para o processo de fabricação e também paraexportação do excedente, para rede elétrica pública.

Nessa etapa também é gerado um vapor de escape parautilização no processo (vapor de escape a cerca de 127-130°C e a cerca de 2,5 kgf/cm2 de pressão absoluta) econdensados de vapor de escape que retornam para aunidade geradora de vapor UGl.

O caldo misto é misturado a um caldo filtrado efluente deuma unidade de filtração FTl e, em seguida, passa por umprimeiro estágio de aquecimento em um primeirodispositivo de aquecimento regenerativo indireto ARI,onde troca calor com os condensados de vapor vegetalrecuperados no processo. Em seguida, o caldo misto passapor um segundo estágio de aquecimento em um segundodispositivo de aquecimento regenerativo indireto AR2,onde troca calor com o caldo pré-evaporado efluente deuma unidade de evaporação El e é enviado para uma unidadede tratamento físico-químico TRl, onde recebe a adição deleite de cal até um pH de cerca de 6,0 - 6,8. O caldotratado é então aquecido por contato indireto com vaporVl proveniente da unidade de evaporação El, sendoaquecido até uma temperatura entre 105 e IlO0C, passa porum "flash" para eliminação de gases dissolvidos, recebe aadição de um agente floculante (polieletrólito) e seguepara uma unidade de decantação, DCl. Nessa etapa asimpurezas do caldo (não açúcares) são em grande parteremovidas, gerando-se uma corrente denominada lodo, quecontêm os não açúcares removidos (proteínas, aminoácidos,clorofila, antocianina, impurezas minerais, compostoscoloridos, bagacilhos entre outros) e parte do açúcararrastado contido no caldo que envolve o lodo. Esse lodoé enviado para a unidade de filtração, FTl, onde é geradauma corrente denominada de caldo filtrado que éencaminhada para mistura com o caldo misto e a torta defiltro que é encaminhada para uma unidade produtora defertilizante orgâno-mineral. A outra parte efluente dessaunidade de decantação DCl é o caldo purificado,denominado de caldo clarificado.Esse caldo é entãoencaminhado a um peneiramento para eliminação debagacilhos residuais, preferivelmente em telas comabertura menor ou igual a 0,10mm e à unidade deevaporação El, onde troca calor, por contato indireto,com o vapor de escape produzido na unidade de turbo-geradores TGl. Nessa etapa, parte da água contida nocaldo é evaporada, gerando-se assim uma corrente de vaporvegetal, VI. Esse vapor é utilizado para aquecimento decaldo, nas unidades de destilação e para concentração devinhaça, conforme descrito a seguir. 0 condensado, geradona unidade de evaporação El, é coletado no compartimentoTl e retorna para a unidade geradora de vapor UGl. 0caldo pré-evaporado até cerca de 20-30°Brix,preferivelmente 250Brix e a uma temperatura de cerca de110 a 117°C, efluente da unidade de evaporação Elf éparcialmente resfriado numa unidade de troca térmicaregenerativa, (AR2) com o caldo extraído (35-40°C) e, emseguida, resfriado em dispositivo de troca térmicaindireta numa unidade de resfriamento RMl. O fluido frioutilizado nessa unidade é a água, a cerca de 28°C,recuperada da condensação de vapor vegetal provenienteda torre de resfriamento TR. O caldo pré-evaporado eresfriado, eventualmente recebe a adição de nutrientesadequados ao processo de fermentação e recebe, a partirde então, a denominação de mosto. O mosto é então enviadoa uma unidade de fermentação alcoólica, FEl, utilizandoleveduras (cepas de Sacharomyces cerevisiae) e gerando ummosto fermentado contendo cerca de 6 a 16% (p/p) deetanol, preferivelmente mais que 10%(p/p).

Isso é conseguido tomando-se cuidados como, melhorando-sea assepsia do mosto, efetuando-se um pré-tramento domosto, por exemplo, por processo de decantação ouflotação do mosto, operar com mosto mais concentrado econstituído preferencialmente de maior quantidade decaldo pré-evaporado, bom monitoramento do processo defermentação, boa eficiência no processo de centrifugaçãodo fermento, bom tratamento do fermento no pé-de-cuba,manutenção da temperatura da fermentação em torno de 3 0-32°C (equipamentos eficientes de remoção de calor dafermentação), fermento selecionados a partir de cepasselecionadas, preferencialmente, na própria usina e queapresentem bom desempenho, e um bom monitoramento. 0resfriamento da unidade de fermentação FEl é efetuado pordispositivos de troca térmica indireta, usando, comofluido frio, a água da torre de resfriamento TR. O mostofermentado passa então por úm processo de separação dofermento por centrifugação, gerando um vinho fermentado,substancialmente isento de fermento, que será encaminhadopara a destilação. O fermento, após tratamento adequado,retorna para o processo dè fermentação. O vinho produzidona unidade de fermentação FEl é submetido à destilaçãopara a obtenção de etanol 960Gl compreendendo duasetapas. A primeira etapa se dá em uma primeira seção Dlde uma unidade de destilação onde o vinho é colocado emebulição, a pressão substancialmente atmosférica, emdispositivo de troca térmica indireta, por um dispositivorefervedor RFl, obtendo-se, na parte inferior, fundo)avinhaça,que contêm os constituintes sólidos do vinho,água e um teor alcoólico residual menor que 0,05% e, naparte superior (topo), vapores alcoólicos contendo umagraduação entre 40 e 55°GL (flegma). 0 fluido quenteutilizado nessa etapa, no dispositivo refervedor RFl é ovapor VI, podendo ser também o vapor de escape ou vaporvegetal oriundo da unidade de concentração de vinhaça. Osvapores alcoólicos obtidos no topo dessa primeira etapa(flegma) são enviados à segunda seção de destilação D2 .Nessa etapa, a flegma é alimentada em contracorrente, emfluxo ascendente, onde entra em contato com parte doscondensados de topo recirculados a partir de um segundocondensador CD2. A condensação desses vapores efluentes,dessa segunda etapa de destilação, é efetuada em umdispositivo de troca térmica indireta, por exemplo osegundo condensador CD2, podendo incluir ainda umterceiro condensador CD3 que define um terceiro estágio,sendo que na primeira etapa é utilizado, como fluidofrio, o vinho fermentado que alimenta a primeira seção dedestilação Dl e uma segunda que utiliza água condensadade vapor vegetal proveniente da torre de resfriamento TR,no terceiro condensador CD3. 0 etanol (hidratado) , assimobtido, possui uma graduação alcoólica de cerca de 96°GL.A vinhaça efluente, entre cerca de 95-1150C contendoentre cerca de 4 a 8% de sólidos totais, é encaminhadapara uma unidade de evaporação de vinhaça UEV constituídade múltiplos evaporadores a vácuo VHl a VHN em cascata. Aunidade de evaporação de vinhaça UEV compreende de quatroa sete evaporadores, preferivelmente cinco, por exemplo,evaporadores de película descendente. Nessa etapa, avinhaça é alimentada no primeiro evaporador de contatoindireto VHl, onde troca calor com o vapor vegetal Vlproduzido na unidade de evaporação em El. Nessa etapa,parte da água contida na vinhaça é evaporada, gerando-seassim uma corrente de vapor vegetal, Wl. Esse vapor éalimentado no segundo evaporador W2, onde troca calorcom o caldo parcialmente concentrado efluente do primeiroevaporador VHl. Dessa forma, gera-se o vapor W2 que éencaminhado ao terceiro evaporador VH3, onde, através decontato indireto com o caldo efluente do segundoevaporador VH2, gera-se o vapor W3.0 - mesmo ocorre,sucessivamente, até que se atinja o último evaporadorVHN. No último evaporador VHN, sob um vácuo de cerca de25 in de HG°, é gerado um vapor final VHN que, através deum dispositivo de contato indireto, por exemplo um quartocondensador CD4, troca calor com o vinho e é entãocondensado. 0 vinho aquecido é, então, enviado para aalimentação de um segundo condensador CD2. 0 condensadogerado no primeiro evaporador VHl, passa por um primeirocompartimento TVl, onde é parcialmente transformado emvapor (flash), pela diferença de pressão entre osefeitos, retornando para o segundo evaporador VH2. Aparte líquida efluente de um segundo compartimento TV2 éencaminhada para um terceiro compartimento TV3, ondenovamente passa por um processo de vaporização parcial eé encaminhado para o terceiro evaporador VH3. A partelíquida segue para o compartimento seguinte, repetindo-seo processo até que se atinja o último evaporador VHN. Oscondensados dos evaporadores VHl a VHN e do quartocondensador CD4 são misturados e enviados para utilizaçãono processo.

No caso de produção de etanol anidro, 99,6°GL, (verfigura 4) o etanol hidratado na forma vapor a 96°GL,éaquecido até cerca de 1500C em dispositivo de trocatérmica indireta utilizando-se para aquecimento vapor auma pressão absoluta de cerca de 7,0 kgf/cm2 e éalimentado nas colunas de zeólitos adsorvente (Peneiramolecular) em que a água é retida e o etanol liberado naforma de vapor a 99,6 °GL. As colunas operam com umapressão absoluta da ordem de 4,0 kgf/cm2 e a regeneraçãodos zeólitos através de sistema de vácuo.

A vinhaça concentrada efluente dessa unidade, a umaconcentração de cerca de 45-60 %(p/p) de matéria seca edefinindo uma fonte de Ν, P, Ke micronutrientes, éencaminhada para uma unidade de fabricação defertilizante orgâno-mineral (F.0.M.).Nessa etapa a tortade filtro proveniente da estação de filtração de lodo FTlé misturada com as cinzas da unidade geradora de vaporUGl, em um primeiro sistema de mistura MSI.A mistura éentão encaminhada para a secagem em STl, onde parte daágua é removida. A mistura efluente de STl é impregnadacom vinhaça concentrada em um segundo sistema de misturaMS2, e em seguida, encaminhada para secagem e granulaçãoem um dispositivo SGl, removendo-se parte da água nelacontida. O produto é um sólido granulado com cerca de 10%(p/p) de umidade.Adotando-se os procedimentos e operaçõesanteriormente descritas torna-se possível produzir apartir de uma tonelada de cana (tc) um excedente de águade cerca de 220 a 250 kg, uma produção de cerca de 70 a72 kg de fertilizante orgâno-mineral (10% umidade), umaexportação de energia elétrica de cerca de 68,8 kWh e umaprodução de etanol 67,6 kg de etanol hidratado (96°GL).

Produção de açúcar

No processo de produção integrada de açúcar,energia,fertilizante orgâno-mineral e recuperação de água(ver figuras 3, 3A e 3B) a cana e a palha são trazidasda lavoura e introduzidas no processo de fabricação, paraserem submetidas às mesmas operações de limpeza a seco,extração do caldo, produção de vapor de alta pressão,geração de energia e geração de vapor de escape, damaneira já descrita anteriormente em relação aosprocessos de produção de açúcar e álcool nas usinasanexas e de produção de etanol. apenas nas usinasautônomas.

0 caldo misto é, então, aquecido em um sistema deaquecimento regenerativo indireto em ARl onde troca calorcom parte dos condensados de vapor vegetal recuperados doprocesso e, em seguida, com um vapor V3, obtido de umevaporador E3 de uma unidade de evaporação UE a sercomentado adiante. 0 caldo misto efluente desse sistemadeve ter uma temperatura entre 40-50°C e passará, emseguida, pelo processo de sulfitação até um pH de cercade 4,0-4,8 (caso o açúcar cristal branco seja produzido)e calagem até um pH de cerca de 6,8 - 7,5 em uma unidadede tratamento TRl. 0 caldo tratado é então aquecido, euma unidade de aquecimento AQl, por contato indireto comvapor V2 proveniente de um segundo evaporador E2, a sercomentado adiante e, em seguida, aquecido com vapor VI,oriundo de um primeiro evaporador El. 0 caldo assimaquecido deve estar a uma temperatura entre 105 e IlO0C,passa por um balão de flash para eliminação de gasesdissolvidos, recebe a adição de um agente floculante(polieletrólito-normalmente uma poliacrilamida) e seguepara uma unidade de decantação, DCl. Nessa etapa, asimpurezas do caldo (não açúcares) são em grande parteremovidas, gerando uma corrente denominada lodo, quecontêm os não açúcares removidos (proteínas, aminoácidos,clorofila, antocianina, impurezas minerais, compostoscoloridos, bagacilhos entre outros) e parte do açúcararrastado (contido no caldo que envolve o lodo), e umaoutra corrente que é o caldo purificado, denominado caldoclarificado.

O caldo clarificado é então encaminhado à unidade deevaporação UE, geralmente formada por uma pluralidade deevaporadores El, E2,....EN, geralmente de quatro a seis epreferivelmente cinco. O caldo clarificado é alimentadoem um primeiro evaporador de contato indireto El, ondetroca calor com o vapor de escape proveniente da unidadede turbo-geradores TGl. Nessa etapa, parte da águacontida no caldo é evaporada, gerando-se assim umacorrente, de vapor vegetal, VI. Esse vapor é alimentado noseguinte segundo evaporador E2, onde troca calor com ocaldo parcialmente concentrado e efluente do primeiroevaporador El. Dessa forma gera-se o vapor V2 que éencaminhado ao seguinte terceiro evaporador E3, ondeatravés de contato indireto com o caldo efluente dosegundo evaporador E2 gera-se o vapor V3. 0 mesmo ocorresucessivamente até que se atinja o último evaporador En.

No último evaporador En, sob um vácuo de cerca de 2 5 inde HG°, é gerado um vapor vegetal final Vn que, atravésde um dispositivo de contato indireto, geralmente em umprimeiro condensador CDl, troca calor com pelo menos umdos fluidos frios definidos dentre caldo misto,oucondensado de vapor vegetal resfriado na torre deresfriamento TR. 0 caldo misto aquecido (uma fraçãoadequada do total, suficiente para condensação do vaporreferendado) é enviado para a alimentação da etapa ondese dá o aquecimento regenerativo em ARl. 0 condensadogerado no primeiro evaporador El, é coletado em umprimeiro compartimento Tl e retorna para a unidadegeradora de vapor UGl. 0 condensado gerado no segundoevaporador E2, passa por um segundo compartimento T2,conectado ao segundo evaporador E2 onde é parcialmentetransformado em vapor, pela diferença de pressão("flash") entre os evaporadores, retornando para oterceiro evaporador E3. A parte líquida efluente dosegundo compartimento T2 é encaminhada para um terceirocompartimento T3 onde novamente passa por um processo deevaporação parcial e é encaminhada para o quartoevaporador E4. A parte líquida segue para o compartimentoseguinte, repetindo-se o processo até que se atinja oúltimo evaporador En. Os condensados provenientes dosegundo ao último evaporador E2 a En e do primeirocondensador CDl são misturados e enviados para utilizaçãono processo.

0 caldo concentrado efluente da unidade de evaporação UEidenominado xarope, a uma concentração de cerca de 60-65°Brix é encaminhado para a unidade de cristalização deaçúcar UC.

A unidade de cristalização de açúcar pode ser de duasmassas, AeB, ou três massa A, B e C. As figuras 3A e 3Bilustram uma unidade de cristalização UC de três massas.

O xarope obtido anteriormente é alimentado no cozedor(evapo-cristalizador) M-A, que recebeu açúcar B após umaconcentração adequada do xarope (ponto de semeadura) ,sendo adequadamente evaporado e cristalizado até quecristais de açúcar atinjam um tamanho adequado. 0material cristalizado, contendo cerca de 50-55% decristais de açúcar e denominado massa A é alimentado numsistema de centrifugação CA onde os cristais sãoseparados do mel A (licor mãe) . Os cristais são lavadoscom adição de condensado e vapor Vl para remoção do melresidual remanescente da centrifugação inicial, gerando oaçúcar úmido A. 0 mel A é encaminhado para o cozimento Bjuntamente com o açúcar C (magma) que é adicionado após omel A atingir o ponto de semeadura. Identicamente a massaA, o mel A é evaporado e adequadamente cristalizado nocristalizador M-B, gerando a massa B rica em cristais,que é centrifugada, lavada com condensado e vapor nodispositivo de centrifugação CB, gerando-se o açúcar Bque é alimentado adequadamente, como pé-de-cristalização(semeadura) da massa A. A massa C é obtida através daevaporação do mel B que é adequadamente cristalizado apartir da adição de um gérmen de cristalização nocristalizador M-C, gerando a massa C rica em cristais,que é centrifugada, lavada com condensado e vapor nodispositivo de centrifugação CB, gerando-se o açúcar C(magma C) que é alimentado com pé-de-cristalização damassa Β. 0 açúcar A é encaminhado para na seção desecagem SAl e, em seguida, para o ensaque na seção ESI.Todos os estágios de cozimento podem operar,preferivelmente, com vapor vegetal Vl ou V2 ou ainda comvapor de escape. O mel final (mel C) produzido eexportado para outras unidades industriais para usosdiversos e principalmente para produção de etanol emunidades anexas ou destilarias autônomas.

Adotando-se os procedimentos e operações anteriormentedescritas é possível produzir, a partir de uma toneladade cana (tc), um excedente de água de cerca de 280 a 300kg,uma produção de cerca de 35-37 kg de fertilizanteorgâno-mineral (10% de umidade), exportação de energiaelétrica de cerca de 68,8 kWh e uma produção açúcar decerca de 85-87 kg (0,05% de umidade) e 50-52 kg d melaço.

Conforme ilustrado no fluxograma de processo da figura 4,no caso de produção de etanol anidro, 99,6°GL, o etanolhidratado na forma vapor a 960GL é superaquecidoaquecido até cerca de 1500C (a cerca de 3,0 kgf/cm2absoluto) em dispositivo de troca térmica indireta, VPlem dois estágios. 0 primeiro utiliza vapor de escape (acerca de 2,5kgf/cm2 absoluto) e o segundo vapor a umapressão absoluta de cerca de 6,0 a 10 kgf/cm2. 0 vaporalcoólico efluente do dispositivo VPl, a cerca de 150°C(4,0 kgf/cm2) é então alimentado nas colunas de zeólitosadsorventes (Peneira molecular) no sistema SVl em que aágua é retida e o etanol é liberado na forma de vapor a99,6 °GL. 0 vapor de etanol anidro (99,60GL) é condensadoem um dispositivo de troca térmica indireta, primeirocondensador CDl, que utiliza como fluido frio águaproveniente da torre de resfriamento. As colunas CLl dosistema são restauradas após um determinado tempo deoperação através da remoção da água adsorvida noszeólitos. Essa operação é feita através da aplicação devácuo (pressão a cerca de 0,35 kgf/cm2) efetuado pelosistema SVl. Resulta dessa operação uma corrente de vaporcontendo predominantemente água e etanol residual. Essesvapores são condensados no outro dispositivo de trocatérmica indireta, ou seja, no segundo condensador CD2,que utiliza, como fluido frio, a água proveniente datorre de resfriamento TR, gerando-se um condensadodenominado flegma que é enviado para o sistema dedestilação do vinho, em sua primeira reação Dl, conformeilustrado nas figuras IB e 2B.

No processo descrito, objeto dessa patente, contempla-seo uso racional de água no processo de fabricação deaçúcar e/ou etanol. São providas medidas para economia deenergia e racionalização do uso de água, tendo em vista aeliminação de captação de água e geração de excedentehídrico; máximo reaproveitamento e recuperação da água noprocesso; maximização da geração de energia (elétrica evapor) de fonte renovável, bagaço e palha; máximoaproveitamento de resíduos sólidos e líquidos paraprodução de um fertilizante orgâno-mineral sólidogranular de modo, a reduzir o consumo de fonte nãorenovável (principalmente de petróleo); e, finalmente,com o objetivo de aumentar a rentabilidade do complexosucroalcooleiro, com minimização de problemas ambientaisligados à contaminação de água e solo. Nesse processo atécerca de 50% da palha(palhiço) gerada na lavoura de cana-de-açúcar durante a colheita pode ser encaminhada àfábrica para queima em caldeira, para geração de energiaelétrica e vapor. Essa fonte adicional de energia,também, serve aos propósitos de co-geração de energiapara exportação à rede pública. A outra parte da palhadeve permanecer na lavoura para minimizar as perdas dosolo por evapo-transpiração, redução da infestação porpragas, fertilização entre outros efeitos benéficos.

A cana trazida para o processo passa a ser limpa atravésde uma série de dispositivos mecânicos e pneumáticos poruma técnica denominada de limpeza a seco. Nesse processo,através de dispositivos citados, promove-se a remoção departe das impurezas trazidas da lavoura, juntamente com acana, sem a necessidade de lavagem da cana. Dessa formaelimina-se quase a metade da necessidade de captação deágua pela usina. O acionamento do sistema de extração(difusores ou moendas) passa a ser efetuado através deacionamento preferencialmente por motores elétricos, quepossuem maior eficiência com relação aos acionamentosefetuados por turbinas. Em uma das formas preferidas dainvenção, no processo de extração do caldo a embebição(adição de água no último efeito extrativo) é efetuadoexclusivamente com água recuperada da cana alimentada nosistema, mais especificamente através do reaproveitamentoracional dos condensados de vapor vegetal recuperados doprocesso de fabricação de açúcar e/ou etanol, aos quaisse aplica um rígido controle de arraste de sacarose. 0aquecimento do caldo de cana oriundo da extração edestinado ao tratamento físico-químico de coagulação efloculação e posterior decantação das impurezas, éefetuado por dispositivos de troca térmica indiretaregenerativa, entre o fluido frio, definido pelo caldomisto, e condensados recuperados da evaporação do caldoe/ou cristalização do açúcar e/ou do condensadoresultante da condensação dos vapores vegetais utilizadosno aquecimento do caldo tratado quimicamente (sulfitação,calagem, floculação).

Os condensados gerados são recirculados para recuperaçãotérmica e reutilização no processo, por exemplo, paraembebição.

A fermentação alcoólica deve ser ajustada para se obterum grau alcoólico final entre 6 e 16 °G1, maispreferivelmente acima de 10°GL.

A geração de vapor é feita em caldeiras de alta pressão,45 a 100 kgf/cm2, preferivelmente 100kgf/cm3, exatamentecomo já anteriormente descrito no presente relatório,sendo o vapor de escape encaminhado ao processo defabricação de açúcar e/ou álcool. As caldeiras geramvapor de alta pressão, denominado de vapor direto, apartir da queima de bagaço resultante da extração decaldo da cana-de-açúcar da extração e da palha. As águasde resfriamento utilizadas no processo para condensação,resfriamento de dornas (fermentadores) , mosto sãoresfriadas na torre de resfriamento TR.

A torta de filtro produzida na estação de filtração e ascinzas obtidas e uma pequena fração do melaço emsubstituição à vinhaça (para conseguir-se o efeito degranulação da mistura) produzido no processo são entãosubmetidas à produção de um fertilizante orgâno-mineral(FOM) , conforme procedimento descrito no pedido depatente co-pendente do mesmo depositante. Esse processocompreende, basicamente, as etapas já definidasanteriormente.

Nas figuras 5 e 6 são discriminados, a título de exemplo,os volumes de água recuperados em cada etapa do processode fabricação, para o caso de usina anexa e paradestilaria autônoma, respectivamente.

As águas recuperadas compreendem os condensados daevaporação da vinhaça, vapores condensados de todos osevaporadores de caldo com exceção daquela do primeiroevaporador (caso de usina anexa) e também do cozimento doxarope (caso de usina anexa) e os condensados doscondensadores da destilação que utilizam vapor VI. Esseexcedente de água pode ser utilizado diretamente nairrigação para consumo industrial ou após tratamentoadequado, exportado para rede pública.

Optando-se pela utilização dessa água para consumodoméstico, deve-se submetê-la a um sistema consistindo,por exemplo, de uma etapa de tratamento anaeróbio seguidodé um tratamento aeróbio(por exemplo por Iodos ativados)a um tratamento físico-químico e finalmente a umacloração ou ozonização A carga orgânica dos condensados,DBO, prevista e da ordem de 300 mg/ Le a DQO de cercade 2.000 mg/ L. Na primeira etapa (anaeróbica),considerando-se uma eficiência de remoção de DQO da ordemde 80% permite uma geração de biogás é de 0,45 Nm3/ kgDQO removido e o lodo excedente é de 0,05 kg/ kg DQOremovido. 0 biogás gerado, normalmente tem uma composiçãode cerca de 70% metano, 29%C02, 0,5% H2S e traços de N2,H2 e água saturada. Este biogás pode opcionalmente serutilizado para gerar potência elétrica ou gás decombustão para um sistema "chiller" para refrigerar águade processo utilizada no resfriamento de dornas(fermentadores). A água pode ser fornecida a rede públicapara consumo doméstico ou industrial.Os procedimentosaqui propostos permitirão que as empresas do setor passemda condição de importadoras de água para a situação deexportadoras, gerando sua própria energia a partir defonte renovável e exportando-a para rede pública,transformando os resíduos sólidos gerados na fabricaçãode açúcar (torta de filtro) e etanol (torta de filtro evinhaça) e nas caldeiras (cinzas e gás de chaminé paraaquecimento) em um fertilizante orgâno-mineral sólidogranulado, além de garantir a produção eficiente doaçúcar e do etanol. 0 resultado é um menor consumo decombustíveis fósseis, a preservação do meio ambiente,economia de recursos com captação de água e disposição derejeito, redução da frota para transporte e dosequipamentos utilizados no transporte e de distribuiçãode vinhaça, cinza e torta, com economia na compra defertilizante pela recirculação dos rejeitos sólidos ricosem nutrientes (principalmente potássio) , e com um menorcusto operacional com uma possível, exportação de águapara rede pública.

Claims (30)

1. Processo para recuperação de água e energia doprocessamento de cana-de-açúcar em usinas de produção deaçúcar e etanol, utilizando a palha e o bagaço da cana-de-açúcar como fonte de energia para uma unidade degeração de vapor e energia elétrica e compreendendo asetapas de:a- submeter a cana-de-açúcar a uma operação de extraçãode caldo com embebição por condensados recuperados devapor vegetal;b- tratar e purificar o caldo extraído, utilizandocondensado de vapor vegetal, vapor vegetal de evaporaçãoe insumos e produzindo um fluxo de caldo clarificado, umfluxo de lodo e um fluxo de condensado de vapor vegetal;c- tratar o fluxo de lodo, produzindo uma torta de filtroe um fluxo de caldo recuperado que é retornado à etapa detratar e purificar o caldo;d- submeter parte do fluxo de caldo clarificado a umaunidade de evaporação de múltiplos efeitos a vácuo, sobaquecimento por vapor de escape da unidade de geração deenergia, produzindo: um condensado de vapor de escape, aser retornado, pelo menos em parte, à unidade de geraçãode energia; pelo menos um fluxo de vapor vegetal deevaporação; um fluxo de vapor vegetal de último efeito;um fluxo de condensado de vapor vegetal; e um fluxo dexarope;e- concentrar o xarope até o ponto de cristalização departe da sacarose nele contida sob aquecimento com pelomenos parte do fluxo de vapor vegetal produzido naunidade de evaporação, produzindo um fluxo de vaporvegetal de cristalização, um fluxo de condensado de vaporvegetal e um fluxo de produto cristalizado(massacristalizada);f- centrifugar o produto cristalizado, produzindo umfluxo de mel (melaço) e um fluxo de açúcar a ser secado eensacado;g- misturar o restante do fluxo de caldo clarificado como fluxo de melaço em proporções adequadas à fermentação eresfriar o mosto resultante por troca térmica indireta,com pelo menos um dos meios definidos por um fluxo decaldo misto extraído e um fluxo de água de condensado devapor vegetal, na temperatura de bulbo úmidocorrespondente à temperatura ambiente, circulando por umaunidade de torre de resfriamento;h- manter a temperatura da fermentação entre 25 e 36°C,preferivelmente 30-32°C, por troca térmica indireta comum fluxo de água de condensado de vapor vegetalcirculando por uma unidade de torre de resfriamento;i- fermentar o mosto resfriado, produzindo um fluxo devinho, e destilar o vinho para produzir etanol e vinhaça,sendo o processo caracterizado pelo fato de:- o caldo extraído (caldo misto) ser pré-aquecido noresfriamento do mosto e aquecido por troca térmicaindireta regenerativa com pelo menos um dos fluxos devapor vegetal de último efeito da unidade de evaporação ede vapor vegetal de cristalização, transformando ditosfluxos de vapor em fluxos de condensado de vapor vegetal;a etapa de destilar o vinho ser realizada com oaquecimento indireto do vinho por pelo menos um dos meiosdefinidos: por parte do fluxo de vapor vegetal deevaporação; por parte do fluxo de vapor de escape; e porum fluxo de vapor vegetal de vinhaça, produzindo um fluxode vapor alcoólico e pelo menos um dos fluxos decondensado de vapor vegetal e de vapor de escape;- o fluxo de vapor alcoólico ser condensado por trocatérmica indireta com pelo menos um dos fluxos de vinhofermentado e de água de condensado de vapor vegetal daunidade da torre de resfriamento;- a vinhaça ser submetida a uma unidade de evaporação devinhaça, de múltiplos efeitos, sob aquecimento por vaporvegetal de evaporação, produzindo: pelo menos um fluxo devapor vegetal de vinhaça; um fluxo de vapor vegetal devinhaça de último efeito; um fluxo de condensado de vaporvegetal; e um fluxo de vinhaça concentrada;- de o vinho, a ser destilado, ser pré-aquecido por trocatérmica indireta com pelo menos um dos meios definidos,pelo fluxo de vapor vegetal de vinhaça de último efeito,por um fluxo de vapor alcoólico de um estágio dedestilação, produzindo um fluxo de condensado de vaporvegetal e um fluxo de condensado alcoólico;- o excesso dos fluxos de condensado de vapor vegetal,não utilizado no processo ser enviado, pelo menos emparte, â unidade da torre de resfriamento e, se aindadisponível, armazenado para posterior tratamento.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o fluxo de condensadoalcoólico ser retornado para o topo do respectivoestágio de destilação do qual é extraído.

3. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de aunidade de evaporação do caldo clarificado destinada afabricação de açúcar ser provida de uma saída deliberação de vapor vegetal de evaporação em cada um deseus pelo menos quatro efeitos evaporativos, sendo que aetapa de tratamento e purificação do caldo extraídocompreender: um primeiro estágio de aquecimentoregenerativo por meio de injeção de parte do fluxo decondensados; um segundo estágio de aquecimento utilizandoparte do fluxo de vapor vegetal de evaporação liberado emum efeito evaporativo da unidade de evaporação; umterceiro estágio de aquecimento no qual é injetada partedo vapor vegetal de evaporação liberado em um efeitoevaporativo imediatamente anterior; e um quarto estágiode aquecimento no qual é injetada parte do vapor vegetalde evaporação liberado em um primeiro efeito evaporativoimediatamente anterior da unidade de evaporação.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato de o aquecimento no primeiroefeito evaporativo da unidade de evaporação ser obtidopor troca térmica indireta entre o vapor de escape daunidade de geração de energia e o caldo clarificado,gerando o fluxo de condensado de vapor de escape e umprimeiro fluxo de vapor vegetal utilizado para aquecer oefeito subseqüente e liberar um respectivo fluxo de vaporvegetal de evaporação para o processo e assimsucessivamente até o último efeito evaporativo.

5. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato etapa detratamento e purificação do caldo extraído destinado afabricação de etanol compreender: um primeiro estágio deaquecimento regenerativo por meio de troca térmicaindireta com o caldo clarificado, um segundo estágio deinjeção de parte do fluxo de condensados; um segundoestágio de aquecimento aquecimento regenerativo por meiode troca térmica indireta com condensados de vaporvegetal e um estágio final utilizando parte do fluxo devapor vegetal de evaporação liberado em um efeitoevaporativo da unidade de evaporação de caldo destinado afabricação de açúcar;

6. Processo, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato de a etapa de tratar e purificaro caldo extraído compreender ainda submeter o caldoaquecido a operações de "flash", de floculação com adiçãode eletrólito e de decantação das impurezas.

7. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4 ou 6, caracterizado pelo fatode a dest ilação do vinho, para a obtenção de etanolhidratado (cerca de 96°G1), ser realizada pelo menos emduas etapas, sendo que, na primeira etapa, o vinho pré-aquecido é colocado em ebulição à pressão igual ousuperior à atmosférica, preferivelmente atmosférica, e emdispositivo de troca térmica indireta, no fundo de umacoluna de destilação multi-estágios, produzindo, no topoda coluna, vapores alcoólicos contendo uma graduaçãoentre 40 e 600GL (flegma) e vinhaça no fundo, contendo osconstituintes sólidos do vinho, água e um teor alcoólicoresidual menor que cerca de 0,05%, sendo o aquecimentorealizado por troca térmica indireta com pelo menos umdos meios definidos por parte do fluxo de vapor vegetalde evaporação; por parte do fluxo de vapor de escape; epor um fluxo de vapor vegetal de vinhaça, sendo que ovapor alcoólico obtido no topo dessa primeira etapa(flegma) é enviado à segunda etapa de destilação, na qualo flegma, na forma de vapor alcoólico, é alimentado noprimeiro terço da coluna em um estágio intermediário dosmúltiplos estágios, entrando em contato com parte dosrecirculados condensados de topo.

8. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 6 ou 7, caracterizado pelofato de compreender ainda a etapa de misturar torta defiltro, vinhaça concentrada e cinzas de combustão depalha e de bagaço de cana-de-açúcar, e, opcionalmente,fertilizantes químicos convencionais, para compor umfertilizante organo-mineral.

9. Processo para recuperação de água e energia doprocessamento de cana-de-açúcar em usinas de produção deetanol, utilizando a palha e bagaço da cana-de-açúcarcomo fonte de energia para uma unidade de geração devapor e energia elétrica e compreendendo as etapas de:a- submeter a cana-de-açúcar a uma operação de extraçãode caldo com embebição por condensado de vapor vegetal;b- tratar e purificar o caldo extraído, utilizandocondensado de vapor vegetal, vapor vegetal de pré-evaporação e insumos e produzindo um fluxo de caldoclarificado, um fluxo de lodo e um fluxo de condensado devapor vegetal;c- tratar o fluxo de lodo, produzindo uma torta de filtroe um fluxo de caldo recuperado que é retornado à etapa detratar e purificar o caldo;d- submeter o fluxo de caldo clarificado a uma unidade depré-evaporação, sob aquecimento por vapor de escape daunidade de geração de energia, produzindo: um condensadode vapor de escape, a ser retornado, pelo menos em parte,à unidade de geração de energia; um fluxo de vaporvegetal de evaporação; e um fluxo de caldo pré-evaporado;e- resfriar o caldo pré-evaporado por troca térmicaindireta com pelo menos um dos meios definidos por umfluxo de parte do caldo da extração (caldo misto) e umfluxo de condensado de vapor vegetal circulando por umaunidade de torre de resfriamento;f- fermentar o mosto resfriado constituído de caldo pré-evaporado, produzindo um fluxo de vinho, e destilar ovinho para produzir etanol e vinhaça, sendo o processocaracterizado pelo fato de:- de o caldo extraído (caldo misto) ser aquecido portroca térmica indireta, antes de seu tratamento físico-químico, com pelo menos um dos meios definidos por umfluxo de caldo pré-evaporado e fluxos de condensado devapor vegetal recuperados no processo;- o caldo extraído, submetido ao tratamento físico-químico, ser aquecido para cerca de 105° a IlO0C, portroca térmica indireta com o fluxo de vapor vegetal depré-evaporação, transformando esse último em um fluxo decondensado de vapor vegetal;- a etapa de destilar o vinho ser realizada com oaquecimento indireto do vinho por pelo menos um dos meiosdefinidos: por parte do fluxo de vapor vegetal de pré-evaporação; por parte do fluxo de vapor de escape; e porum fluxo de vapor vegetal de vinhaça, produzindo um fluxode vapor alcoólico e pelo menos um dos fluxos decondensado de vapor vegetal e de vapor de escape;- o fluxo de vapor alcoólico ser resfriado por trocatérmica indireta com pelo menos um dos fluxos de vinhofermentado e de água condensada de vapor vegetal daunidade da torre de resfriamento;- a vinhaça ser submetida a uma unidade de evaporação devinhaça, de múltiplos efeitos a vácuo, sob aquecimentopor vapor vegetal de pré-evaporação, produzindo: um fluxode vapor vegetal de vinhaça; um fluxo de vapor vegetal devinhaça de último efeito; um fluxo de condensado de vaporvegetal; e um fluxo de vinhaça concentrada;- de o vinho, a ser destilado, ser pré-aquecido por trocatérmica indireta com pelo menos uma parte dos fluídosdefinidos por um fluxo de vapor alcoólico de um estágiode destilação e por um fluxo de vapor vegetal de vinhaçade último efeito, produzindo um fluxo de condensado devapor alcoólico e um fluxo de condensado de vapor vegetalde vinhaça;- o excesso dos fluxos de condensado de vapor vegetal,não utilizado no processo ser enviado, pelo menos emparte, à unidade da torre de resfriamento e, se aindadisponível, armazenado para posterior tratamento.

10. Processo, de acordo com a reivindicação 8,caracterizado pelo fato de o fluxo de condensadoalcoólico ser recirculado no respectivo estágio dedestilação do qual é extraído.

11. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 9 ou 10, caracterizado pelo fato de aetapa de tratar e purificar o caldo extraído compreenderainda submeter o caldo aquecido a operações de "flash",de floculação com adição de polieletrólito e dedecantação das impurezas.

12. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 9, 10 ou 11, caracterizado pelo fato de adestilação do vinho, para a obtenção de etanol hidratado(a cerca de 96°G1), ser realizada pelo menos em duasetapas, sendo que, na primeira etapa, o vinho pré-aquecido é colocado em ebulição à pressão igual ousuperior à atmosférica, preferivelmente atmosférica, emdispositivo de troca térmica indireta, no fundo de umacoluna de destilação multi-estágios, produzindo, no topoda coluna, vapores alcoólicos contendo uma graduaçãoentre 4 0 e 600GL (flegma) e vinhaça no fundo, contendo osconstituintes sólidos do vinho, água e um teor alcoólicoresidual menor que cerca de 0,05%, sendo o aquecimentorealizado por troca térmica indireta com pelo menos umdos meios definidos por parte do fluxo de vapor vegetalde pré-evaporação e por um fluxo de vapor vegetal devinhaça, sendo que o vapor alcoólico obtido no topo dessaprimeira etapa (flegma) é enviado à segunda etapa dedestilação, na qual a flegma, na forma vapor alcoólico, éalimentada no primeiro terço da coluna em um estágiointermediário dos múltiplos estágios, entrando em contatocom parte dos recirculados condensados de topo.

13. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 9 a 12, caracterizado pelo fato decompreender ainda a etapa de misturar torta de filtro,vinhaça concentrada e cinzas de combustão de palha e debagaço de cana-de-açúcar e, opcionalmente, fertilizantesquímicos convencionais, para compor um fertilizanteorgano-mineral.

14. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 9 a 13, caracterizado pelo fato decompreender ainda a etapa de ajustar a quantidade denutrientes, a temperatura, o conteúdo de açúcaresfermentesciveis, o pH, quantidade de fermento, e demaisparâmetros de controle do mosto em fermentação, de modo aobter, após a fermentação alcoólica um grau alcoólicofinal entre 6 e 16° Gl, preferencialmente acima de 10°GL.

15. Processo para recuperação de água e energia doprocessamento de cana-de-açúcar em usinas de produção deaçúcar, utilizando a palha e bagaço da cana-de-açúcarcomo fonte de energia para uma unidade de geração devapor e energia elétrica e compreendendo as etapas de:a- submeter a cana-de-açúcar a uma operação de extraçãode caldo com embebição por condensado de vapor vegetal;b- tratar e purificar o caldo extraído, utilizandocondensado de vapor vegetal, vapor vegetal de evaporaçãoe insumos e produzindo um fluxo de caldo clarificado, umfluxo de lodo e um fluxo de condensado de vapor vegetal;c- tratar o fluxo de lodo, produzindo uma torta de filtroe um fluxo de caldo recuperado que é retornado à etapa detratar e purificar o caldo;d- submeter parte do fluxo de caldo clarificado a umaunidade de evaporação de múltiplos efeitos a vácuo, sobaquecimento por vapor de escape da unidade de geração deenergia, produzindo: um condensado de vapor de escape, aser retornado à unidade de geração de energia; pelo menosum fluxo de vapor vegetal de evaporação; um fluxo devapor vegetal de último efeito; um fluxo de condensado devapor vegetal; e um fluxo de xarope;e- concentrar o xarope até o ponto de cristalização departe da sacarose nele contida sob aquecimento com pelomenos parte do fluxo de vapor vegetal produzido naunidade de evaporação, produzindo um fluxo de vaporvegetal de cristalização, um fluxo de condensado de vaporvegetal e um fluxo de produto cristalizado(massacristalizada);f- centrifugar o produto cristalizado, produzindo umfluxo de mel (melaço) e um fluxo de açúcar a ser secado eensacado, sendo o processo caracterizado pelo fato de:- o caldo extraído (caldo misto) ser aquecido, pelo menosem parte, por troca térmica indireta com pelo menos umdos fluxos de vapor vegetal de último efeito da unidadede evaporação e de vapor vegetal da etapa de concentrar oxarope para cristalização, transformando ditos fluxos devapor em fluxos de condensado de vapor vegetal;- o excesso dos fluxos de condensado de vapor vegetal,não utilizado no processo, ser enviado, pelo menos emparte, a unidade da torre de resfriamento e, se aindadisponível, armazenado para posterior tratamento.

16. Processo, de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato de a unidade de evaporação docaldo clarificado apresentar pelo menos quatro efeitosevaporativos e ser provida de uma saída de liberação devapor vegetal de evaporação em cada um de seus efeitosevaporativos, sendo que a etapa de tratamento epurificação do caldo extraído compreende: um primeiroestágio de aquecimento utilizando o condensado de vaporvegetal; um segundo estágio de aquecimento utilizandoinjeção de parte do fluxo de vapor vegetal de evaporaçãoliberado em respectivo efeito evaporativo; um terceiroestágio de aquecimento no qual é injetada parte do vaporvegetal de evaporação liberado em um efeito evaporativoimediatamente anterior; e um quarto estágio deaquecimento no qual é injetada parte de vapor vegetal deevaporação liberado em um primeiro efeito evaporativo daunidade de evaporação.

17. Processo, de acordo com a reivindicação 16,caracterizado pelo fato de o aquecimento no primeiroefeito evaporativo da unidade de evaporação ser obtidopor troca térmica indireta entre o vapor de escape daunidade de geração de energia e o caldo clarificado,gerando o fluxo de condensado de vapor de escape e umprimeiro fluxo de vapor vegetal utilizado para aquecer oefeito subseqüente e liberar um respectivo fluxo de vaporvegetal de evaporação para o processo e assimsucessivamente até o último efeito evaporativo.

18. Processo, de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato de a etapa de tratar e purificaro caldo extraído compreender ainda submeter o caldoaquecido a operações de "flash", de floculação com adiçãode polieletrólito e de decantação das impurezas.

19. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 18, caracterizado pelo fato de oexcedente de água de condensado de vapor vegetal, geradono processo, ser destinado à irrigação.

20. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 18, caracteri zado pelo fato de oexcedente de água de condensado de vapor vegetal, geradono processo ser destinado a um tratamento biológicoanaeróbico, com geração de biogás e, seqüencialmente, aum tratamento aeróbico, e a um tratamento físico-químico,para consumo industrial ou doméstico.

21. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 18, caracteri zado pelo fato de a palhaser trazida até a indústria juntamente com os colmos decana, ser separada e processada separadamente antes daextração do caldo de cana e ser enviada à unidade degeração de vapor e energia elétrica

22. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 18, caracterizado pelo fato de o vaporser gerado em caldeiras de alta pressão de 45 a 100kgf/cm2 de pressão, preferencialmente 100 kgf/cm2.

23. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 18, caracterizado pelo fato de ageração de energia elétrica ser efetuada em turbogeradores de contrapressão e com turbo gerador decondensação.

24. Processo, de acordo com a reivindicação 23,caracterizado pelo fato de turbo gerador de contrapressãogerar vapor de escape para o processo de fabricação deaçúcar e ou etanol e fertilizante orgâno-mineral.

25. Processo, de acordo com a reivindicação 23,caracterizado pelo fato de turbo gerador de condensaçãoenviar todo o condensado para uma caldeira de altapressão.

26. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 24 ou 25, caracterizado pelo fato detoda energia elétrica necessária ao processo defabricação de açúcar e/ou álcool e fertilizante orgâno-mineral, bem como o excedente energético, ser gerado apartir da queima de bagaço e palha (palhiço) da cana-de-açúcar.

27. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 18 ou 21, caracterizado pelo fato de aágua de reposição ("make up") da unidade de geração devapor e energia elétrica ser obtida a partir dos fluxosde condensado de vapor vegetal recuperados do processo esubmetidos a um tratamento para remoção de sais eimpurezas orgânicas.

28. Processo, de acordo com a reivindicação 27,caracterizado pelo fato de o tratamento da água dereposição ("make up") ser efetuado por tratamento porresinas de troca iônica em série com um sistema de osmosereversa.

29. Processo, de acordo com a reivindicação 21,caracterizado pelo fato de a palha ser misturada aobagaço efluente da extração e a mistura enviada a unidadede geração de vapor e energia elétrica.

30. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 8,caracterizado pelo fato de a vinhaça ser submetida a umaunidade de evaporação em múltiplos efeitos a vácuo, sobum aquecimento por vapor alcoólico efluente do topo dacoluna B, produzindo pelo menos um fluxo de vapor vegetalde vinhaça, um fluxo de condensado alcoólica (etanolhidratado) e um fluxo de vinhaça concentrada.