Desenvolvimento De Sistema Para Automação De

DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA PARA AUTOMAÇÃO DE UM DESTILADOR DE CACHAÇA E ÁLCOOL DE PEQUENO PORTE Alexsandre T Silva, Carlos F. Martins, Laércio Rosa e Ronaldo dos S. Duarte Centro de Tecnologia em Automação e Informática - SENAI/CTAI Rodovia SC 401, nº 3730 CEP 88.032-005 - Florianópolis-SC [email protected]

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Resumo - O projeto Automação da Produção de Cachaça faz parte do Programa Catarinense de Melhoria da Qualidade da Cachaça, visando a geração de trabalho e renda ao pequeno produtor catarinense. O processo de produção de cachaça em alambique continuo, desenvolvido pelo Dr. Eng. Jack Eliseu Crispim, EPAGRI/URUSSANGA/SC, exige uma temperatura constante de 95ºC para o fracionamento dos componentes da guarapa fermentada e uma vazão inversamente proporcional ao grau Alcoólico da cachaça. Para tais funções são utilizadas: válvula de vazão de gás, válvula de vazão de líquido, sensor de temperatura e um alcoômetro. A idéia principal que norteou o desenvolvimento desta pesquisa foi a utilização de recursos de automação industrial com tecnologia desenvolvida dentro das unidades do SENAI para melhoria do processo produtivo da cachaça visando padronizar e aumentar sua qualidade, agregando valor ao produto catarinense com investimento viável ao pequeno produtor. A unidade do SENAI/CTAI, Centro de Tecnologia em Automação e Informática, responsável pelo controle e integração em conjunto com o SENAI/CEDEP, Centro de Educação e Desenvolvimentos Empresarial, responsável pelo desenvolvimento das válvulas e sensores, desenvolveram durante 6 meses os equipamentos necessários para a automatização do processo. Após este período de pesquisa, foi possível uma redução de custos da ordem de 80% em relação a equipamentos prontos no mercado e uma previsão para a redução ainda maior com a continuidade da pesquisa e utilização de outras técnicas e dispositivos. Palavras-chave - alambique, guarapa, vinho, alcoômetro. I. INTRODUÇÃO

Os registros da história da destilação remontam a 3.500 anos a.c., sendo que a fabricação de perfumes e cosméticos era conhecida e a destilação servia para elaboração destes preparados. Foi nos meados do século XII, que as bebidas destiladas passaram definitivamente a fazer parte do hábito das pessoas. A partir desta data, a evolução do processo de destilação foi crescente, bem como o consumo de bebidas. O incremento no consumo nacional e a abertura do mercado europeu e americano, principalmente o mercado alemão italiano e francês, representam possibilidades de rápida expansão desse setor da economia, a exemplo do que já vem sendo feito pôr estados como Minas Gerais e São Paulo, atualmente os principais estados exportadores do produto. Atualmente a cachaça de um modo geral é produzida em nosso estado de forma pulverizada, em centenas de pequenos fabricantes que

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comercializam regionalmente seus produtos, envasados normalmente em garrafões e garrafas, a granel ou em barris. O que se verifica, na estrutura de produção dominante, é a fabricação da cachaça num sistema de produção artesanal, que na grande maioria dos casos, carece dos preceitos básicos quanto à higiene e ao controle de qualidade. Raros são os produtores que adotam técnicas, mesmo que simples, para a melhoria da qualidade do produto. O caldo da cana-de-açúcar é o elemento básico para a obtenção, através da fermentação, de vários tipos de álcool, entre eles o álcool etílico. A produção em Santa Catarina se situa na faixa de 6 milhões de litros anuais, com um consumo na ordem de 35 milhões de litros. De acordo com Tagliari (2001), Santa Catarina possui 14.664 ha de canade-açúcar plantados, localizados predominantemente nas regiões mais quentes do estado, no Litoral, Vale do Itajaí e Oeste. A produção total de cana-de-açúcar em 1998, segundo o mesmo autor, foi de 483 mil toneladas, com produtividade média de 33 toneladas pôr ha. Santa Catarina consegue atingir rendimentos de 150 a 180 toneladas de colmos pôr há quando as lavouras são conduzidas tecnicamente, mas em média, um pequeno produtor rural consegue, em terras férteis, produtividade de 80 a 120 toneladas. II. DESTILADOR CONTINUO

O novo modelo de destilador contínuo para produção de aguardente e álcool para atendimento aos pequenos produtores de cachaça e fumo, visa obter produtos com maior qualidade final. Com o desenvolvimento deste novo tipo de destilador para as pequenas propriedades os produtores de fumo terão uma nova alternativa de energia para secagem do fumo, evitando os problemas de desmatamento ou desenvolvimento de projetos de produção de eucalipto para queima nas fornalhas, alem do álcool poder servir como combustível pala impulsionar carros ou motores.

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Fig. 1 - Micro destilador para produção de 80 litros dia de álcool com 85 a 90 GL em fornalha a lenha e bagaço de cana.

Fig. 2 - Destilador contínuo de cachaça com produção de cachaça de cabeça, coração e rabo.

Já na destilação da cachaça, para os produtos cabeça, coração e cauda, foi desenvolvido um destilador com capacidade de separação destas fases, obtendo-se assim um produto com maior qualidade final. Podendo-se reutilizar a cabeça e calda para a produção de álcool combustível. A Figura 2 mostra o alambique contínuo, onde a coluna da esquerda separa a cachaça de cabeça e a coluna do meio separa o coração e a cauda, condensando os 3 produtos na coluna da direita. A energia calorífica é aplicada na base do destilador da coluna maior, onde o vinho, guarapa fermentada, é transformado em vapor para posteriormente separar os álcoois na parte superior da coluna e na coluna do meio. A fonte calorífica deste destilador é a gás, porém a utilização de forno também é possível e viável.

III. FUNCIONAMENTO

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O vinho, entra pôr um funil, parte superior do equipamento, pôr gravidade atravessa o interior da coluna de destilação, sofrendo um pré aquecimento, caindo sobre o primeiro prato de separação na parte mais superior da coluna. São vários pratos que pôr diferentes temperaturas vão separar os componentes do vinho, que vão sendo recolhidos e direcionado ao condensador, onde há o resfriamento dos três produtos finais, cabeça, coração e rabo. Este processo exige uma temperatura constante de 95ºC, em sua base ou fornalha, para o fracionamento dos componentes da guarapa fermentada, chamada de vinho. A vazão do vinho é inversamente proporcional ao grau Alcoólico da cachaça, fazendo-se necessário seu ajuste e monitoramento constante para a produção de uma cachaça de qualidade e respeitado padrão. Com a variação da vazão do vinho, a fornalha sofre alteração de sua temperatura, necessitando de intervenção na fonte de energia, aqui representada pôr queimadores do tipo industrias a GÁS, exigindo maior ou menor potência calorifica. O monitoramento dos graus da cabeça, coração e rabo é dado pôr três alcoômetros dentro de tubos separados, logo após o condensador, antes dos produtos serem recolhidos para armazenamento. A leitura pode ser feita em duas escalas, GayLussac ou Cartier.

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Fig. 3 - Projeto técnico do novo modelo de destilador contínuo para produção de cachaça. IV. AUTOMATIZAÇÃO

Devido ao grau de complexidade e exigência de supervisão continua, para se ter um padrão de qualidade e volume de produção para o pequeno produtor, em reunião entre EPAGRI e SENAI, estabeleceu-se uma parceria para o desenvolvimento da automatização do processo de destilação. O processo, como citado anteriormente, necessita monitorar as variáveis temperatura e grau da cachaça e atuar sobre a vazão do vinho e potência calorifica.

Fig. 4 - Alcoômetro automático desenvolvido pelo NIT, SENAI/ CEDEP de São José.

3) Sensor de Presença de chama Controle sensível a corrente, detectando a presença de chama e, no caso de falha de ignição ou posterior falta de chama, provocando uma parada de segurança.

A. Sensores 1) Temperatura O sensor de temperatura utilizado é um PT100 a três fios com um conversor de corrente de 4 a 20mA, o CLP (Controlador Lógico Programável) converte a corrente para temperatura entre 0º e 150ºC. 2) Alcoômetro Alcoômetro: Os alcoômetros automáticos disponíveis no mercado, custam cerca de 30 mil reais, inviável para o escopo do projeto. O alcoômetro automático desenvolvido pelo NIT, SENAI/CEDEP, constitui-se de um recipiente contendo um alcoômetro manual e um sensor de medição de distância a laser. Com a variação do teor alcoólico, o alcoômetro sobe ou desce, variando a posição de sua haste em relação ao sensor. Esta distância é medida pelo sensor e enviada ao CLP uma corrente de 4 a20mA, que converte esta leitura em graus Cartier.

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Fig. 5 - Eletrodo de presença de chama.

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B. Válvulas 1) Válvula de vazão de vinho A válvula de vazão de vinho foi desenvolvida a partir de uma válvula encontrada facilmente no mercado com preço acessível e de grande precisão. O NIT encarregou-se de desenvolver o corpo e o CTAI seu controle eletrônico, baixando o custo para 10% de produtos similares encontrado no mercado. As válvulas são acionadas através de pulsos. Estes pulsos movimentam o motor de passo bipolar de duas bobinas. Através de engrenagens a haste da válvula é desloca no sentido perpendicular controlando proporcionalmente os orifícios de entrada e saída do vinho . A haste da válvula foi construída de maneira a facilitar sua usinagem.

de duas bobinas.

Para gerar os pulsos foi utilizado o CI 74LS194, um shift register bidirecional. Como o motor é bipolar e consome 240mA em cada bobina, é utilizado uma ponte H dupla de 500mA, CI L293, e oito diodos devido as correntes reversas. Um NE555 em configuração astavel, garante o clock para os passos. O CLP monitora o clock para controlar os passos. V. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Fig. 6 - Válvula proporcional de vazão de líquidos, desenvolvida pelo NIT SENAI/CEDEP São José para controle de vazão do vinho..

2) Válvula de vazão de GÁS Similarmente a válvula de vazão de vinho, esta válvula exigiu uma maior atenção. Para um ajuste preciso do GÁS e uma boa vedação, esta válvula demandou um estudo sobre a construção de seu corpo e haste. Utilizando informações da hidráulica, pneumática chegou-se a uma válvula de construção pequena e excelente eficiência, mantendo a mesma economia da válvula de vazão de vinho.

[1] TAGLIARI, P.S. Cana-de-açúcar: boa alternativa agrícola e energética para a agricultura nacional. Agropecuária Catarinense. Florianópolis, v.14, n.1, março, 2001 [2] ROMAI, C.; SCHERER,A. SCHERE, I. ; CRISPIM, J.E. Programa de melhoramento da cachaça produzida em Santa Catarina. ACAPAAQ, FIESC, EPAGRI, FLORIANÓPOLIS, 2001, 29P. [3] CRISPIM, J.E. Manual da Produção de Aguardente de qualidade. Guaíba, Ed. Agropecuária, 2000, 338p. [4] http://www.solarbotics.net [5] BRAGA, Newton. Revista Saber Eletrônica, [S.L]: Saber, junho/2002. VI. CURRICULUM

Alexsandre T. Silva natural de Florianópolis. Cursando a 6ª fase de Automação Industrial pela SENAI/CTAI – SC. Estagiário de Pesquisa Aplicada SENAI/CTAI. Área de atuação: Eletrônica e Automação.

C. Equipamentos 1) CLP O Controlador Lógico Programável utilizado é o Altus PICOLO 105/R, que possui 12 entradas e 6 saídas digitais, mais modulo analógico Altus PICOLO 140 de 4 entradas e 2 saídas e IHM Foton 1(Interface Homem Maquina). Este equipamento caracteriza-se pelo baixo custo, fácil acessibilidade e pelos recursos disponíveis. A IHM possui 4 botões, permitindo a mudança das linhas do mostrador e alteração dos valores de referencia.

Carlos Fernando Martins natural de Florianópolis. Graduado em Engenharia de Controle e Automação Industrial – Univercidade (UFSC –1994). Mestrado em Engenharia Elétrica: Avaliação de desempenho de Sistemas da Manufatura (UFSC - 95-96). Doutorado em andamento: Engenharia Mecânica (UFSC). Coordenador de Pesquisa Aplicada e Coordenador do Curso de Especialização em Automação e Sistemas SENAI/CTAI – SC. Área de atuação: Automação e Informática.

2) Controle das Válvulas Como dito anteriormente as válvulas são acionadas através de pulsos. Estes pulsos movimentam o motor de passo bipolar

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Laercio Rosa natural de Florianópolis. Ronaldo dos S. Duarte natural de Florianópolis. 4