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Avaliação de unidades de produção de açúcar e etanol utilizando a metodologia de eficiência relativa biocontal

 

Introdução

A avaliação de desempenho das Usinas de açúcar e álcool no Brasil está baseada no valor de eficiência industrial obtida levando-se em conta a quantidade de ART (Açúcares Redutores Totais) ou sacarose recuperada na forma de açúcar e álcool em relação à quantidade de ART ou sacarose contida na cana de açúcar processada. Os principais métodos de obtenção destes parâmetros são: Eficiência industrial Copersucar, RIT-Stab e RTC. Qualquer que seja o método utilizado, os resultados são dependentes da quantidade de açúcar e etanol produzido, pois, as rotas de obtenção destes produtos apresentam eficiências distintas. Este fato torna impossível comparar unidades com diferentes mix de produção, ou seja, uma unidade que produz mais etanol e menos açúcar que outra unidade similar vai apresentar um valor de eficiência industrial inferior em relação àquela que produz mais açúcar. Visando corrigir esta distorção, tanto a forma de cálculo do RIT-Stab como do RTC utilizam um valor fixo de rendimento fermentativo para a sua determinação. Sendo assim, os valores destes parâmetros já trazem consigo a correção da variação do mix de produção de cada unidade, tornando possível a comparação destas, independentemente do mix de produção. No caso da eficiência industrial copersucar, a comparação é realizada através da eficiência relativa que é obtida pela relação entre a eficiência industrial obtida e a eficiência máxima calculada para o mesmo mix de produção. As eficiências setoriais utilizadas na determinação da eficiência máxima são os valores máximos obtidos pelas unidades avaliadas.    Apesar de estes parâmetros levarem em consideração a variação do mix de produção e tornarem possível a comparação de unidades com mix de produção distintos, estes apresentam alguns pontos que podem ser melhorados. Tanto o RIT-Stab quanto o RTC apresentam no seu cálculo valor fixo de rendimento fermentativo, independentemente da matéria prima utilizada, o que não é correto, pois, se sabe que o valor deste parâmetro varia significativamente com o nível de substâncias redutoras não açúcares no mosto a qual aumenta significativamente com o nível de esgotamento do melaço utilizado. A eficiência máxima utilizada pelo método copersucar para determinar a eficiência relativa utiliza o valor máximo obtido por uma unidade sem levar em consideração o tipo de tecnologia aplicada. Isto causa distorções na avaliação de desempenho das unidades que possuem tecnologia inferior, mostrando deficiência de equipamentos e não operacional.

Visando comparar o desempenho operacional das diferentes unidades, este trabalho apresenta uma metodologia baseada na eficiência relativa calculada com base na eficiência objetiva que leva em consideração não somente o mix de produção, como também as variações do rendimento fermentativo em função da matéria prima utilizada e as eficiências setoriais baseada nas tecnologias utilizadas. 

Forma de Cálculo

Definição das eficiências setoriais

Para esta metodologia de cálculo, a usina de açúcar e etanol é dividida nos seguintes setores:

            - Patio (recebimento de cana)

            - Extração

            - Tratamento de caldo

            - Fábrica de açúcar

            - Fermentação

            - Destilação

A Tabela 1 mostra as eficiências de cada setor de acordo com a tecnologia e procedimento operacional aplicado.

Tabela 1. Eficiência setorial relativa a tecnologia aplicada

 

Determinação do MIX de produção

Nesta metodologia de cálculo, os componentes considerados como produto são o açúcar e o etanol, outros tais como: levedura seca, óleo fúsel, energia e outros são considerados subprodutos e não entram no cálculo de eficiência industrial. Sendo assim, o MIX de produção base açúcar é definido como sendo a relação entre a quantidade de ART recuperado em açúcar e a quantidade total de ART recuperado e o MIX de produção base etanol é a relação entre o ART recuperado em etanol e o ART total recuperado.

Para a determinação do MIX Açúcar e MIX etanol, primeiramente transforma-se o açúcar e o etanol produzido em ART, utilizando as equações (1) e (2)

 

Onde: ARTA – Massa de ART recuperado em açúcar base 100% sacarose

           ARTE – Massa de ART recuperado em etanol base 100%

O MIX de produção açúcar (MIXA) e álcool (MIXE) são determinados pelas equações (3) e (4) respectivamente. 

Os valores de MIXA e MIXB estão sempre entre 0 e 1 e a soma dos dois será sempre 1.

Determinação da retenção fábrica

Este fator é definido como sendo a quantidade de ART que foi recuperado como açúcar em função da quantidade de ART alimentado à fábrica de açúcar. A equação (5) mostra a definição deste parâmetro:

 

Onde: ARTFA – Massa de ART entrado Fábrica de açúcar

A retenção fábrica corresponde aproximadamente ao parâmetro SJM determinado industrialmente através das purezas do açúcar, melaço e caldo, sendo assim, este fator será utilizado para representar a retenção fábrica.

Determinação da Eficiência Objetiva

A eficiência objetiva é obtida diariamente, utilizando os dados de produção de etanol e açúcar em base 100%, através de balanço de massa. Primeiramente defini-se as eficiências setoriais de acordo com o modo de operação e os equipamentos existente nos diversos setores. Em seguida, utilizando os dados de produção, as eficiências setoriais definidas como meta e o valor de retenção fábrica, calcula-se a quantidade de ART que deveria ter entrado com a cana processada para que a produção observada fosse atingida. Este número geralmente difere do valor real determinado, tanto para cima quanto para baixo, dependendo da eficiência setorial real da unidade.

A determinação da massa de ART de entrada objetivo é feita através de um balanço de massa, que pode ser mais bem entendido pela representação esquemática de uma unidade de produção de açúcar e etanol com seus diversos setores mostrado na Figura 1.

 

 

Figura 1. Representação esquemática de uma unidade de produção de açúcar e etanol com seus diversos setores.

Observa-se que na Figura 1 existem vários pontos indicados por letras, que correspondem a uma linha de fluxo cuja massa de ART será determinada. As equações de balanço de massa utilizadas na determinação da massa de ART entrada na indústria objetiva (J) são mostradas na Tabela 2.

Tabela 2. Equações de balanço de massa para a detterminação da massa de ART entrada na industria objetiva

A eficiência industrial objetiva (EFOBJ) é obtida dividindo-se a massa total de ART recuperado pela massa de ART entrado industria objetiva (ARTEOBJ) como mostra a equação (6).

Determinação da eficiência industrial

A eficiência industrial é calculada pela relação entre a massa de ART recuperada em álcool e açúcar pela massa de ART real entrado na industria (ARTER). A massa de ART real entrado na industria é calculado como descrito na equação (7).

 

Onde: CAMOI = Massa de cana moída

          CARTCA = Conc. de ART na cana processada

 

A equação (8) mostra como é determinada a eficiência industrial (EFIND)da planta

 

Determinação da eficiência relativa

A eficiência relativa é determinada pela relação entre a eficiência industrial real (EFIND) e a Eficiência Objetiva (EFOBJ) como mostrado na equação (9).

Resultados

Para avaliar a forma de variação da eficiência industrial objetiva como a variação do MIX e da Retenção fábrica, foi realizado uma simulação em uma unidade industrial como descrita na Tabela 3. Para este caso, o valor de rendimento fermentativo foi assumido como sendo 90% para qualquer condição de operação.

Tabela 3. Descrição da planta industrial utilizada na simulação para avaliação de comportamento da eficiência objetiva em função do MIX de produção e retenção fábrica

 

A Figura 2 mostra o comportamento do valor da eficiência objetiva para diferentes MIX base açúcar e Retenção Fábrica.

 

 Figura 2. Curvas de Eficiência Objetiva para diferentes MIX de produção e valores de Retenção Fábrica.

Observa-se pela Figura 2 que os valores de Eficiência Objetiva aumentam com o MIX de produção base açúcar e com a Retenção Fábrica. As curvas foram plotadas até o valor do MIX de produção açúcar possível para cada valor de retenção fábrica. Para o valor de 40% de retenção fábrica, o máximo que se pode obter de MIX base açúcar é de aproximadamente 40%, pois, acima deste valor a massa de ART proveniente do caldo para a fermentação assume valor negativo.

Para valores de fermentação fixo, o comportamento dos valores de eficiência objetivo é representado por uma reta. No entanto, quando o nível de esgotamento do mel e a quantidade de ART proveniente do mel é utilizado para preparar o mosto, a quantidade de substâncias redutoras não açúcares aumenta significativamente no mesmo, afetando o rendimento fermentativo simplesmente por ser detectado nos métodos analíticos utilizados atualmente para a analise de ART no mosto. Caso não se corrija o rendimento fermentativo com base na quantidade destas substâncias, unidades que trabalham com maior quantidade de melaço na preparação do mosto acabam sendo penalizadas.

Para exemplificar este efeito, foi considerado que quando a quantidade de ART presente no mosto é maior que 20%, é de se esperar uma concentração de SRT (Substância Redutoras Totais) de 0,1% o que levaria a uma queda média no rendimento fermentativo de 0,6%. É de se esperar que esta concentração aumente com o aumento da participação de ART do melaço no preparo do mosto e com o nível de esgotamento do melaço. Sendo assim, foi estimado um comportamento do rendimento fermentativo para cada condição de MIX de produção e retenção fábrica, o qual está apresentado na Figura 3.

 

 Figura 3. Curvas de Rendimento Fermentativo para diferentes MIX de produção e valores de Retenção Fábrica.

Seguindo os perfis contidos na Figura 3, foi recalculado as curvas de eficiência objetiva em função do MIX de produção e da retenção fábrica, as quais estão mostradas na Figura 4.

 

Figura 4. Curvas de eficiência objetiva para diferentes MIX de produção e valores de Retenção Fábrica com valor de rendimento fermentativo variável.

Observa-se pela Figura 4 que o comportamento dos valores de eficiência objetiva não é mais linear e representam melhor o desempenho esperado para a planta, já que o valor de rendimento fermentativo é afetado pela quantidade de ART proveniente do mel utilizado no preparo do mosto e pelo nível de esgotamento do melaço.. A Figura 5 mostra o comportamento da eficiência objetiva com valor de rendimento fermentativo (RF) fixo e variável para o valor de retenção fábrica de 80%.

 

Figura 5. Curvas de eficiência objetiva para diferentes MIX de produção e valor de Retenção Fábrica de 80% com valor de rendimento fermentativo fixo e variável.

Para ilustrar como o  monitoramento industrial é realizado utilizando a eficiência industrial e objetiva, a Figura 6 mostra os valores de média móvel dos últimos 15 dias de uma planta industrial localizada no interior do Estado de São Paulo que no inicio da safra produziu somente etanol e após decorrido um certo números de dias iniciou a produção de açúcar.

 

 Figura 6. Perfil de média móvel de 15 dias dos valores de eficiência objetiva e industrial em função dos dias de safra de uma unidade industrial.

Observa-se pela Figura 6 que próximo ao dia de safra 50, a planta iniciou a produção de açúcar. Imediatamente, o valor de eficiência objetiva iniciou a rampa de subida em função do MIX de produção. Esta rampa foi acompanhada pelo valor de média móvel dos últimos 15 dias, mostrando claramente que a metodologia de avaliação da planta utilizando eficiência relativa proposta neste trabalho é capaz de representar com muita precisão o comportamento da unidade avaliada levando-se em consideração o MIX de produção e o valor de Retenção Fábrica.

Conclusão

A metodologia proposta neste trabalho contempla a tecnologia utilizada na planta e as condições operacionais da mesma para determinar a eficiência objetiva, com a qual se calcular a eficiência relativa que é utilizada para comparar o desempenho de plantas diferentes em diferentes condições operacionais.

A utilização de valores de rendimento fermentativo variáveis, com base na quantidade de substâncias redutoras não açúcares no vinho, torna as curvas de eficiência objetiva em função do Mix de produção não lineares, as quais representam com maior precisão o desempenho da planta industrial como um todo.

As curvas de valores de média móvel de 15 dias de eficiência industrial e objetiva em função dos dias de safra apresentaram o mesmo padrão quando o MIX de produção foi bruscamente alterado, mostrando que a metodologia apresentada neste trabalho representa com precisão o comportamento da planta.

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