Cozimento

Introdução

O cozimento é o processo de cristalização da sacarose através da evaporação controlada do xarope em cozedores a vácuo, produzindo massa cozida (suspensão de cristais em licor-mãe). Este processo é o coração da fabricação de açúcar, determinando o rendimento industrial, a qualidade dos cristais e a eficiência de recuperação da sacarose. O controle preciso da supersaturação é crítico: valores muito baixos resultam em baixa taxa de cristalização, enquanto valores muito altos causam formação de falso grão (cristais indesejados). Usinas modernas alcançam rendimentos de 85-92% de recuperação da sacarose do xarope.

[Image blocked: Marcha de Cozedor a Vácuo] Figura 1: Marcha de cozedor a vácuo mostrando etapas de concentração, semeadura e crescimento

Fundamentos da Cristalização

Solubilidade da Sacarose

A solubilidade da sacarose em água varia com a temperatura:

S = 64,18 + 0,1421 × T + 0,00158 × T²

Onde:

• S = solubilidade (g sacarose/100 g água)
• T = temperatura (°C)

Exemplo de cálculo:

Temperatura: T = 70°C

S = 64,18 + 0,1421 × 70 + 0,00158 × 70²

S = 64,18 + 9,947 + 7,742 = 81,87 g/100 g água

Interpretação: A 70°C, 100 g de água dissolvem até 81,87 g de sacarose em equilíbrio.

Coeficiente de Supersaturação

CS = C / C_sat

Onde:

• CS = coeficiente de supersaturação (adimensional)
• C = concentração atual de sacarose (g/100 g água)
• C_sat = concentração de saturação (g/100 g água)

Zonas de supersaturação:

Exemplo prático:

Dados:

• Temperatura: 70°C
• Solubilidade: 81,87 g/100 g água
• Concentração atual: 90 g/100 g água

Cálculo:

CS = 90 / 81,87 = 1,099

Interpretação: CS = 1,099 está na zona ótima (1,05-1,15), ideal para crescimento de cristais sem formação de falso grão.

[Image blocked: Diagrama de Cozedor] Figura 2: Diagrama esquemático de cozedor com separador e condensador

Processo de Cozimento

Etapas da Marcha

1. Concentração Inicial

Objetivo: Concentrar xarope até supersaturação

Condições:

• Xarope entrada: 60-65°Brix
• Vácuo: 600-650 mmHg
• Temperatura: 65-75°C
• Tempo: 30-60 min

2. Semeadura (Pé de Cozimento)

Objetivo: Introduzir núcleos de cristalização

Métodos:

a) Semeadura natural (choque)

• Concentração rápida até CS = 1,20-1,25
• Nucleação espontânea
• Número de cristais: 1.000-3.000/g

b) Semeadura controlada (magma)

• Adição de magma (cristais finos em álcool)
• Controle preciso do número de cristais
• Número de cristais: 500-1.500/g

c) Semeadura total (isopropanol)

• Cristais ultrafinos (5-20 μm)
• Distribuição uniforme
• Número de cristais: 3.000-10.000/g

3. Crescimento

Objetivo: Crescer cristais até tamanho desejado

Taxa de crescimento:

G = k × (CS - 1)ⁿ

Onde:

• G = taxa de crescimento (mm/h)
• k = constante de crescimento
• n = ordem da reação (tipicamente 1,5-2,0)

Exemplo:

Dados:

• CS = 1,10
• k = 0,15 mm/h
• n = 1,8

Cálculo:

G = 0,15 × (1,10 - 1)^1,8

G = 0,15 × 0,10^1,8

G = 0,15 × 0,0158 = 0,00237 mm/h = 2,37 μm/h

Para crescer de 0,1 mm para 0,6 mm:

Δd = 0,6 - 0,1 = 0,5 mm = 500 μm

Tempo = 500 / 2,37 = 211 horas ≈ 8,8 dias

Interpretação: Crescimento muito lento! Na prática, usa-se CS mais alto (1,10-1,15) e tempo de 3-5 horas.

4. Aperto (Finishing)

Objetivo: Concentrar ao máximo para descarregar

Condições:

• Brix final: 92-96%
• CS mantido: 1,05-1,10
• Tempo: 30-60 min

Tempo Total de Cozimento

Esquema de Três Massas

Fluxograma

Xarope → Massa A → Açúcar A + Mel A

Mel A → Massa B → Açúcar B (refundido) + Mel B

Mel B → Massa C → Açúcar C (refundido) + Mel Final

[Image blocked: Torre de Processamento Contínua] Figura 3: Torre de processamento de massa contínua

Tabela de Parâmetros por Massa

Cálculo de Rendimento

R = (M_cristais / M_xarope) × 100

Exemplo - Massa A:

Dados:

• Xarope: 100 t, 65°Brix, 88% pureza
• Massa cozida: 70 t, 93°Brix
• Açúcar A: 40 t (cristais)
• Mel A: 30 t, 80°Brix, 78% pureza

Sacarose no xarope:

S_xarope = 100 × 0,65 × 0,88 = 57,2 t

Sacarose no açúcar A:

S_açúcar = 40 t (assumindo 100% pureza)

Sacarose no mel A:

S_mel = 30 × 0,80 × 0,78 = 18,72 t

Balanço:

S_xarope = S_açúcar + S_mel

57,2 ≈ 40 + 18,72 = 58,72 t (diferença de 2,6% = perdas)

Rendimento:

R = (40 / 57,2) × 100 = 69,9%

Tipos de Cozedores

Tabela Comparativa

Cozedor Descontínuo (Batch)

Características:

• Tanque cilíndrico vertical
• Volume: 40-80 m³
• Calandria de tubos (aquecimento)
• Operação por batelada

Vantagens:

• Flexibilidade operacional
• Baixo investimento
• Manutenção simples

Desvantagens:

• Maior consumo de vapor
• Operação descontinuada
• Requer mais mão de obra

Cozedor Contínuo

Princípio: Alimentação e descarga contínuas, múltiplos estágios.

Estágios:

1. Concentração
2. Semeadura
3. Crescimento (2-3 zonas)
4. Aperto

Vantagens:

• Menor consumo de vapor (20-30%)
• Produção constante
• Melhor qualidade de cristais

Desvantagens:

• Alto investimento
• Controle complexo
• Menor flexibilidade

Cálculos de Projeto

Volume do Cozedor

V = (Q × t) / ρ

Onde:

• V = volume útil (m³)
• Q = vazão de massa cozida (t/h)
• t = tempo de ciclo (h)
• ρ = densidade da massa cozida (t/m³) ≈ 1,45

Exemplo:

Dados:

• Produção desejada: 10 t açúcar/h
• Rendimento massa A: 60%
• Tempo de ciclo: 4 h
• Densidade: 1,45 t/m³

Cálculo:

Massa cozida = 10 / 0,60 = 16,67 t/h

V = (16,67 × 4) / 1,45 = 46 m³

Resultado: Cozedor com volume útil de 46 m³.

Área de Aquecimento

A = Q_vapor / (U × ΔT)

Onde:

• A = área de aquecimento (m²)
• Q_vapor = calor fornecido (kJ/h)
• U = coeficiente global (kJ/h·m²·°C) ≈ 4.000
• ΔT = diferença de temperatura (°C) ≈ 15-20

Exemplo:

Dados:

• Evaporação de água: 10 t/h
• Calor latente: 2.260 kJ/kg
• U = 4.000 kJ/h·m²·°C
• ΔT = 18°C

Cálculo:

Q_vapor = 10.000 × 2.260 = 22.600.000 kJ/h

A = 22.600.000 / (4.000 × 18) = 314 m²

Resultado: Calandria com 314 m² de área de troca térmica.

Controle Automático

Variáveis Controladas

Instrumentação

Refratômetro online:

• Medição contínua de Brix
• Precisão: ±0,2°Brix
• Compensação de temperatura

Condutivímetro:

• Medição de pureza
• Cálculo de supersaturação
• Precisão: ±1%

Analisador de cristais:

• Contagem de cristais
• Distribuição de tamanho
• Controle de qualidade

Problemas Operacionais

Tabela de Troubleshooting

Perdas de Sacarose

Inversão térmica:

Sacarose + H₂O → Glicose + Frutose

Taxa de inversão:

I = k × t × e^(-Ea/RT)

Onde:

• I = inversão (%)
• k = constante
• t = tempo (h)
• Ea = energia de ativação
• R = constante dos gases
• T = temperatura (K)

Redução de perdas:

• Minimizar tempo de cozimento
• Operar em vácuo (temperatura baixa)
• pH neutro (6,8-7,2)
• Evitar superaquecimento

Inovações Tecnológicas

Cozimento Contínuo de Alta Performance

Características:

• Múltiplos estágios (5-7)
• Controle automático avançado
• Sensores online (Brix, pureza, cristais)

Benefícios:

• Redução de 25-35% no consumo de vapor
• Aumento de 10-15% no rendimento
• Cristais uniformes (CV < 25%)

Cristalização Assistida por Ultrassom

Princípio: Ondas ultrassônicas (20-40 kHz) promovem nucleação controlada.

Vantagens:

• Distribuição uniforme de cristais
• Redução de falso grão
• Menor tempo de cozimento

Status: Tecnologia emergente, ainda em fase piloto.

Aspectos Econômicos

Consumo de Vapor

Consumo específico:

C_vapor = (E_água × λ) / (η × M_açúcar)

Onde:

• C_vapor = consumo de vapor (kg/t açúcar)
• E_água = água evaporada (kg)
• λ = calor latente do vapor (kJ/kg)
• η = eficiência térmica (0,85-0,90)
• M_açúcar = produção de açúcar (t)

Exemplo:

Dados:

• Água evaporada: 500 kg
• Calor latente: 2.260 kJ/kg
• Eficiência: 0,88
• Açúcar produzido: 1 t

Cálculo:

C_vapor = (500 × 2.260) / (0,88 × 1.000) = 1.284 kg/t

Comparação:

• Cozedor descontínuo: 450-550 kg/t açúcar
• Cozedor contínuo: 350-450 kg/t açúcar
• Economia: 20-30%

Custo Operacional

Conclusão

O cozimento é o processo mais crítico na fabricação de açúcar, exigindo controle preciso da supersaturação (1,05-1,15) para produzir cristais de qualidade. O esquema de três massas (A, B, C) maximiza a recuperação de sacarose, alcançando rendimentos de 85-92%. Cozedores contínuos modernos reduzem o consumo de vapor em 20-30% e melhoram a uniformidade dos cristais. A tendência futura aponta para automação avançada com sensores online, controle preditivo e cristalização assistida por ultrassom.

Referências

1. LinkedIn - Supersaturação Correta para Cristalização - Controle de supersaturação

2. Fermentec - Desafios com Cristalização - Monitoramento e controle

3. Revista Opiniões - Tecnologia da Cristalização - Aspectos tecnológicos

4. STAB - Tecnologia de Cozimento Descontínuo - Operação de cozedores

5. Hugot, E. (1986). Handbook of Cane Sugar Engineering. 3rd Edition. Elsevier.

6. Rein, P. (2007). Cane Sugar Engineering. Verlag Dr. Albert Bartens KG, Berlin.

7. Procknor - Seleção de Cozedores Contínuos - Critérios de seleção