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Balanço de massa em um processo de produção de cachaça
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1.0 Introdução
Segundo decreto nº. 4072, de 03 de janeiro de 2002, aguardente de cana
apresenta as seguintes definições:
Aguardente de cana é a bebida com graduação alcoólica de 38 a 54º G.L., a 20º
C, obtida de destilado alcoólico simples de cana de açúcar ou pela destilação do
mosto fermentado de cana-de-açúcar, podendo ser adicionada de açúcares até 6
g/L.
Cachaça é a denominação típica e exclusiva da aguardente de cana produzida no
Brasil, com graduação alcoólica de 38 a 48º G.L., a 20º C e com características
sensoriais peculiares.
A cachaça poderá ter as seguintes denominações:
Cachaça Adoçada - pode conter açúcares em quantidade superior a 6,0 gL-1 e
inferior a 30 gL-1, expressos em sacarose. A sacarose (açúcar refinado ou cristal)
pode ser substituída total ou parcialmente por açúcar invertido, glicose ou seus
derivados reduzidos ou oxidados.
Cachaça Envelhecida - deve conter, no mínimo, 50% (cinquenta por cento) de
cachaça ou aguardente de cana envelhecida em recipiente de madeira apropriado,
com capacidade máxima de 700 (setecentos) litros, por um período não inferior a
um ano.
Cachaça Premium - deve conter 100% (cem por cento) de cachaça ou aguardente
de cana envelhecida em recipiente de madeira apropriado, com capacidade
máxima de 700 (setecentos) litros, por um período não inferior a um ano.
Cachaça Extra Premium - deve conter 100% (cem por cento) de cachaça ou
aguardente de cana envelhecida em recipiente de madeira apropriado, com
capacidade máxima de 700 (setecentos) litros, por um período não inferior a três
anos.
Este trabalho tem o objetivo de demonstrar o cálculo de balanço de massa
para se produzir 50 L de cachaça em um alambique caseiro.
2.0 Descrição dos processos de produção
Na Figura 1 é apresentado um fluxograma ilustrativo do processo de
elaboração da aguardente de cana. Nos itens seguintes é realizado a descrição de cada
etapa do processamento.
FIGURA.1: Fluxograma de Produção do aguardente de Cana.
Fonte: Brasil (2005).
A produção de cachaça envolve várias etapas, iniciando com a cana e
finalizando com a comercialização do produto. Deve-se examinar todo o processo,
apontando os principais aspectos a serem observados, a fim de obter em cada uma delas,
os melhores resultados, objetivando inserir no mercado um produto final de qualidade
comprovada.
A cana-de-açúcar, depois de colhida e transportada para a indústria, é moída
e o bagaço é separado. O caldo é peneirado, decantado para separação do bagacilho e
diluído para ajuste do Brix (utilizado para medir aproximadamente os açúcares em sucos
de fruta, vinhos e na indústria de açúcar). O caldo de cana-de-açúcar pronto para
fermentar é denominado mosto que é colocado para fermentar na presença do fermento,
denominado “pé-de-cuba”. Depois de terminada a fermentação, este composto é chamado
de vinho. Este, depois de decantado, é destilado.
Durante a destilação, são separadas as frações “cabeça”, “coração” e “cauda”.
A fração “coração”, denominada de cachaça, pode ser armazenada ou envelhecida e,
posteriormente, engarrafada e comercializada.
2.1 Moagem
Após realizado o corte da cana de açúcar é preparada em tamanhos que
possam ser manuseadas, ela é passada em uma moenda para que seja extraído o caldo
existente nos gomos. Sendo o principal objetivo desta etapa a recuperação do açúcar que
esta dissolvido no caldo. Um desenho esquemático deste maquinário é mostrado na
Figura 2.
Figura 2: Componentes básicos de uma moenda.
Fonte: adaptado de Oliveira et al., (1978).
O preparo da cana consiste em picar e/ou desfibra-la, com a finalidade de
destruir a resistência das partes duras dos colmos, aumentando a capacidade de trabalho
da moenda e a extração. No entanto é indispensável que os colmos sejam preparados
imediatamente antes da moagem, para evitar a proliferação de bactérias.
Após a primeira passagem da cana na moenda, o caldo é separado é o bagaço
então descartado irá conter em torno de 35% a 40% do produto moído. O caldo que sai
da moenda ainda não está adequado para a produção de cachaça. Ele deve ser filtrado e
decantado para separação de impurezas, antes de entrar nas dornas de fermentação.
2.2 Filtração e Decantação
A filtração consiste em passar o caldo extraído em uma peneira de malha fina
que tem a finalidade de reter impurezas maiores, como resíduos de bagaço e folhas,
provenientes da matéria-prima. Recomenda-se o uso de tela de aço inoxidável com malha
de 1,0 mm de abertura.
Após essa filtração, o caldo atravessa o decantador mostrado na Figura 3,
onde as partículas sólidas remanescentes no caldo filtrado e mais densas que ele (resíduos
de terra), se deslocam para o fundo do recipiente e o bagacilho, menos denso que o caldo,
fica retido nas aletas suspensas do decantador.
Figura 3: Esquema de um decantador (vista lateral).
Fonte: Adaptado de Maia e Campelo (2005).
O sistema de filtração deve permitir que o caldo chegue o mais puro e limpo
possível as dornas de fermentação. Bagacilhos, bagaço e folhas, quando secos nas bordas
das dornas, podem provocar contaminação bacteriana (mucilagem).
2.3 Diluição do Caldo
Quando a cana é colhida no ponto ideal de maturação, o caldo possui um
percentual de sólidos solúveis (ºBrix) entre 20º a 24º, o qual segundo autores pesquisados
deve ser diluído para 16º a 18º para a fermentação.
A água não deve ser adicionada diretamente na dorna de fermentação pois
esta prática implica em riscos de choque osmótico sobre as células (leveduras que
compõesm o fermento) com prejuizos para a produtividade e o rendimento da
fermentação.
Um caldo com elevada concentração de açúcares pode levar a um elevado
teor alcoólico, o qual é prejudicial à atividade fermantativa das leveduras, além de
acarretar fermentações lentas e incompletas, ocasionando redução no rendimento.
Por outro lado, um Brix menor que 16º, proporciona uma fermentação muito
rápida, podendo o “vinho” ficar muito tempo parado na dorna, o que provocará um
produção muito maior de alcoóis superiores e facilitara as infecções por bactérias.
O cálculo da quantidade de água a ser adicionada no caldo de cana para ajuste
do Brix pode ser feito utilizando o diagrama conhecido como Cruz de Cobense (ou regras
de misturas). Um exemplo da utilização do diagrama é evidenciado na figura 4.
Figura 4: Cálculo da redução do caldo de 20º para 18º Brix.
2.4 Fermento
O fermento é composto por fungos microscópicos vivos. Esses fungos são
pertencentes à classe dos Ascomicetos, sendo a espécie mais importante
a Saccharomyces cerevisiae.
O fermento é preparado a partir das leveduras que acompanham a cana,
mosto ou o ar, sendo variável entre os produtores, que geralmente utilizam receitas
regionais. Normalmente, estas receitas são preparadas a base de uma massa inicial
constituída de caldo de cana-de-açúcar não diluído, farelo de arroz, fubá ou farelo de soja,
com adição de suco de limão ou laranja azeda para abaixar o pH.
Independente do fermento utilizado e da forma de preparo, o pé-de-cuba deve
ser preparado com cuidados especiais, de modo que o fermento se desenvolva nas
condições mais favoráveis possíveis para que mais tarde, ao ser misturado ao mosto
normal e em quantidade suficiente, domine completamente o meio, produzindo sempre
fermentações homogêneas e um vinho com características desejáveis.
2.5 Fermentação
Por definição, a fermentação é um processo de oxidação parcial da glicose na
ausência de oxigênio (processo anaeróbico).
É o ponto crítico do processo de fabricação da cachaça e depende da
maturidade certa da cana, da padronização do o Brix do caldo antes de entrar na dorna, a
sanidade da cana e da composição química do caldo.
O álcool etílico ou etanol é o principal produto da fermentação. Também,
ocorre grande formação de gás carbônico, que é liberado para o ambiente. É comum a
formação de espuma, principalmente nos estágios iniciais da fermentação, dada a
interação do gás formado com lipídeos (principalmente fosfolipídeos) e macromoléculas
(especialmente proteínas) do mosto.
A fermentação tem início quando o fermento contido no fundo da dorna, o
“pé-de-cuba”, começa a ser alimentado pelo caldo de cana. Dentro da fábrica o ciclo
completo compreende várias etapas, e deve ser ajustado para que se complete no intervalo
de 24 horas, facilitando a manutenção de uma rotina operacional preestabelecida.
Para produção de cachaça, o ideal é que essa transferência seja feita
lentamente, entre 6 a 8 horas. Trata-se do sistema de fermentação em “batelada-
alimentada” (sistema semicontínuo), muito mais eficiente que a “batelada-simples”
(sistema descontínuo), no qual todo o caldo é transferido rapidamente para a dorna,
prejudicando o fermento.
O ciclo fermentativo se completa, quando o fermento que está suspenso,
flutuando no líquido, tende a decantar. Esse processo de decantação do fermento é
necessário para evitar a presença de fermento dentro do destilador, o que afeta a qualidade
da cachaça. A destilação do vinho deve ser realizada tão logo termine a fermentação e a
levedura sedimente.
2.6 Destilação
A destilação, processo físico para separações químicas, consiste em aquecer
um líquido até sua passagem para o estado gasoso, que em seguida retorna ao estado
líquido por meio de resfriamento, objetivando especialmente a purificação ou formação
de novos produtos por decomposições de frações.
É a etapa responsável por separar todas as substâncias de interesse formadas
pela fermentação. Por este motivo é considerada de extrema importância para obtenção
de uma cachaça de qualidade.
Concluída a fermentação do mosto, obtém-se o vinho que apresenta na sua
composição uma mistura de componentes sólidos, líquidos e gasosos, em virtude das
transformações que se desenvolveram durante a fermentação. O vinho adequadamente
decantado, contendo 89% a 94% de água, 7% a 12% de etanol e 2% a 4% outras
substâncias voláteis (principalmente aldeídos, ésteres, ácidos orgânicos e álcoois
superiores) é submetido ao processo de separação dos constituintes, através das diferenças
dos pontos de ebulição, denominado destilação.
Ao destilar o vinho da cana, obtém-se um novo líquido, com teor alcoólico
cinco a seis vezes maiores que o teor do líquido gerador.
2.6.1 Frações do Destilado
Durante a destilação o vinho é separado em 3 frações: “cabeça”, “coração” e
“cauda”. A separação dessas frações durante o processo de destilação é de fundamental
importância na produção de cachaça. A fração “cabeça” é recolhida nos primeiros
minutos da destilação.
O destilado de “cabeça” corresponde aos primeiros vapores condensados e
contém altas concentrações de álcool (geralmente acima de 60% v/v). O volume dessa
fração corresponde ao recolhimento de 1,0% a 2,0% do volume total de vinho.
O “coração” é a cachaça propriamente dita e deve ser recolhido por um tempo
aproximado de 2 horas. Inicia-se seu recolhimento, após a separação do destilado de
cabeça. A fração “coração” representa um volume correspondente a até 16% do volume
total do vinho (dependendo do teor alcoólico que se deseja para o produto e da
concentração de álcool do vinho) ou aproximadamente 80% do total do destilado.
A fração “cauda”, também chamada de “água fraca”, corresponde
aproximadamente a 3,0% do volume total do vinho. O ponto final da destilação ocorre
quando o teor alcoólico do destilado atinge o limite de 14% (v/v), correspondente a 15%
do volume total do destilado.
3.0 Cálculo Balanço de Massa
O cálculo foi desenvolvido para a produção de 50 litros de cachaça de forma
artesanal.
No processo de moagem os cálculos foram baseados em artigos; que
consideram que em 1 t (tonelada) de cana consegue 600 l (litros) de caldo.
Para o desenvolvimento do trabalho, foi desenhado e montado um diagrama
de blocos, demonstrado na Figura 5.
Figura 5: Fluxograma Processo de Cachaça Artesanal.
Fonte: Adaptado pelos autores.
Após definição do fluxo de produção da cachaça foi iniciado os cálculos para
balanço de massa nos processos; considerando a entrada da cana com “F” e os processos
como “Ps” e as saídas / descartes como “Ds”. Os cálculos foram iniciados para encontrar
o volume produzido no processo de destilação para produção de 50 L. da cachaça
(coração). Os rendimentos de cada produto (coração – Cabeça – Cauda) foram
respectivamente (16% - 2% - 3%). utilizou-se:
P6 = P5 x 0,16
Sendo: P6 = Quantidade de cachaça produzida;
P5 = Quantidade de produto proveniente do processo de Destilação;
0,16 = Porcentagem de cachaça contida no produto destilado.
50 = P5 x 0,16 P5 = 50 / 0,16 P5 = 312,5 L.
Sabendo então a quantidade proveniente do processo de destilação para a
produção de cachaça; calculou-se então os descartes D4 (cabeça); D5 (cauda) e D3
(vinhaça):
D4= 0,02 x 312,5 D4= 6,25 L
D5 = 0,03 x 312,5 D5 = 9,37 L
Produto da Saída do Destilado (Sd) para produção cachaça:
Sd = P6 + D4 + D5 Sd = 50 + 6,25 + 9,37
Sd = 65,62 L.
Cálculo de D3 Vinhaça:
D3 = 312,5 – Sd D3 = 312,5 – 65,62 D3 = 246,88 L
A porcentagem relativa da Vinhaça será:
% Vinh = 100 – 21 % Vinh = 0,79.
Para calcular a quantidade de produto que entrou no processo de Fermentação
(P4); considerando que neste processo há uma eficiência de 96% tem-se:
P4 = P5 + D3
D3 = (312,5 x 0,04) / 96 D3 = 13 L
Então:
P4 = 312,5 + 13
P4 = 325,5 L
Para ser calculado a quantidade que entrou no processo de Fermentação foi
necessário definir o Brix de 16º ao final e também considerar que o mesmo entrou no
processo com 21º. Para reduzi-lo aos patamares desejados é preciso adicionar H2O. sendo
o cálculo efetivado através do diagrama de Cobenze.
Cálculo de Diluição
Brix 21º Brix 16º
Cálculo da quantidade de caldo:
* densidade do caldo = 1,092
Qcaldo = (16 – 0) / 1,092 Qcaldo = 14,65 L
Cálculo para a quantidade de água:
QÁgua = (21-16) / 1 QÁgua = 5 L
Através dos cálculos sabe-se que para cada 14,65 L de caldo são necessários
5 L de água. Para 242,68 L de caldo são necessários 82,82 L de água. Não entendi como
chegou neste cálculo. A partir daqui vou conversar com você amanhã.
Na Figura 6 é mostrado o fluxograma do processo de produção de cachaça
artesanal para produção dos 50 L; com os cálculos de balanço de massa já inseridos após
a realização dos cálculos pertinentes.
Figura 6: Fluxograma da produção com o balanço de massa
Fonte: Adaptado pelos autores.
4.0 Conclusão
O balanço de massa é fundamental para a análise de um novo processo, bem como
de um já existente. O conhecimento do fluxo de matéria (ou balanço de massa)
envolvido pode ser uma ferramenta utilizada para tomada de decisões no processo.
Do balanço de massa no nosso processo a razão caldo/bagaço é de 60/40, podemos
mecanizar o processo e possivelmente mudar essa razão, para obter mais caldo com
a mesma quantidade de cana.
5.0 Bibliografia
ALCARDE, A. R.; SOUZA, P. A.; BELLUCO, A. E. S. Aspectos da composição
química e aceitação sensorial da aguardente de cana-de-açúcar envelhecida em
tonéis e diferentes madeiras. Cienc. Tecnol. Alim., 30, 226-232, 2010.
ANDRADE, L.A.B. Cultura da cana-de-açúcar. In: Cardoso, M.G. (ed.) Produção de
aguardente de cana. 2ª ed. Editora UFLA – Universidade Federal de Lavras, Lavras - MG,
p. 25-67, 2006.
AQUARONE, E. LIMA, U. A.; BORZANI, W., Aguardentes. In: Biotecnologia.
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CARDOSO, M.G., CAMPOS, G.A., SILVA, R.A., SANTOS, C.D., PINTO, A.P.S.,
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