Microfiltração de caldo de cana : caracterização do caldo permeado e retentado

Abstract

Resumo: O Brasil é considerado o maior produtor de cana-de-açúcar (Saccharum officinarum) que é utilizada como matéria-prima para a produção de vários produtos. O processo de separação por membranas vem sendo estudado na clarificação do caldo de cana como alternativa ao processo convencional. A clarificação sem o uso de produtos químicos valoriza o produto, economiza energia além de ser um processo simples de operação. Este trabalho teve como objetivo estudar as melhores condições de operação na clarificação do caldo de cana em membrana cerâmica por microfiltração, utilizando os princípios da filtração tangencial em equipamento experimental desenvolvido na UFPR. Os experimentos foram realizados aleatoriamente seguindo o delineamento fatorial 2² com quatro repetições no ponto central a fim de avaliar o efeito da pressão e temperatura de operação na clarificação. Os caldos de cana, permeado e retentado foram avaliados quanto ao tempo de estocagem e as propriedades físico-químicas, como pH, sólidos solúveis totais, turbidez, viscosidade, cor, Pol e pureza, cinzas e quantificação de minerais. Os experimentos foram realizados avaliando a influência da temperatura (50 a 70ºC) e pressão de operação (0,4 a 0,6 bar) no processo de clarificação. Os fluxos de permeado dos caldos apresentaram semelhante comportamento no decaimento, independente da pressão e temperatura, mas apresentaram elevação do fluxo em 6 minutos em todos os experimentos. À temperatura de 70ºC, os experimentos 3 do Lote I e o 4 do Lote II foram os que atingiram os menores tempos de clarificação. O processo de limpeza mostrou-se eficiente na regeneração do fluxo da membrana cerâmica, atingindo em alguns casos regeneração acima de 90%. O tempo de estocagem influenciou nas características no caldo de cana in natura. As características físico-químicas dos caldos permeados e retentados apresentaram variações nos valores. Os caldos permeados de mesma condição de operação dos dois lotes foram comparados e as análises de cinzas, pH e cor não foram influenciados pelo tempo de estocagem. A viscosidade permaneceu na faixa de 0,78 a 1,06 cP para os caldo in natura e os caldos resultantes da clarificação ficaram dentro dessa faixa. Os baixos valores indicam que os caldos apresentam comportamento de fluido Newtoniano. A quantificação de alguns dos minerais mostrou que o processo de separação por membranas manteve esses compostos nos caldos clarificados sem concentrá-los. O processo de clarificação dos caldos de cana removeu a turbidez em 99%, produzindo caldo límpido e taxa de remoção de cor acima de 69%, sem afetar o teor de sacarose. Os gráficos de superfície de resposta foram gerados para visualização da influencia em função da temperatura e pressão nos parâmetros estudados. A separação por membranas cerâmicas mostrou-se eficiente na remoção da cor e turbidez dos caldos podendo ser utilizado na indústria para produção de açúcar com menor coloração e maior valor agregado.

Abstract: Brazil is considered the largest producer of sugar cane (Saccharum officinarum). The cane is used as raw material for the production of various products. The process of membrane separation has been studied in the clarification of sugarcane juice as an alternative to the conventional process. The clarification without the use of chemicals enhances the product, saves energy as well as simplyfing the operation process. This work aimed to study the best operating conditions in the clarification of sugarcane juice by ceramic membrane microfiltration, using the principles of tangential filtration in experimental equipment developed at UFPR. The experiments were performed randomly following the 2² factorial design with four replications at the central point to assess the effect of pressure and temperature in the clarification process. The sugarcane juice, permeate and retentate were evaluated for storage timing and the physicochemical properties such as pH, turbidity, viscosity, color, Pol, purity, ash and quantification of minerals. The experiments were performed randomly, evaluating the influence of temperature (50 to 60ºC) and pressure (0,4 to 0,6 bar) in clarification process. The permeate flow of the juice showed similar behavior in the decay of the flow regardless pressure and operating temperature, but showed increased flow in 6 minutes in all experiments. At a temperature of 70°C, experiment 3 of Lot I and 4 of Lot II were those which reached the lowest clarification times. The cleaning process was efficient in regenerating the flow of ceramic membrane, reaching in some cases regeneration above 90%. The storage time influenced the characteristics in sugar cane juice in natura. The physico-chemical properties of the juice permeate and retentate showed variations in values. The juice infused with the same operating condition of the two groups were compared and the analysis of ash, pH and color were not affected by storage timing. The viscosity remained in the range from 0,78 to 1,06 cP for fresh juice and the broth resulting from the clearing were within this range. The low values indicate that the juices behave as Newtonian fluid. The quantification of the minerals showed that the process of membrane separation kept these compounds in clarified juices without concentrating them. The process of clarification of sugarcane juice to remove turbidity by 99%, producing clear juice and color removal rate above 69%, without affecting sucrose. The response surfaces graphs were generated to visualize the influence function of temperature and pressure in the studied parameters. The separation by ceramic membranes was efficient in removing color and turbidity of the juice and it can be used in sugar industry to produce less sugar coloration and higher added value.