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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ANÁLISE TÉCNICO-ECONÔMICA DA PRODUÇÃO DE ÁLCOOL A PARTIR DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR Alexandre Fusco Kronemberger São Paulo 2009

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  • UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA POLITCNICA

    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

    ANLISE TCNICO-ECONMICA DA PRODUO DE LCOOL

    A PARTIR DO BAGAO DE CANA-DE-ACAR

    Alexandre Fusco Kronemberger

    So Paulo

    2009

  • UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA POLITCNICA

    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

    ANLISE TCNICO-ECONMICA DA PRODUO DE LCOOL

    A PARTIR DO BAGAO DE CANA-DE-ACAR

    Alexandre Fusco Kronemberger

    Trabalho de formatura apresentado

    Escola Politcnica da Universidade de

    So Paulo para obteno do ttulo de

    Graduado em Engenharia

    rea de Concentrao:

    Engenharia Mecnica

    Orientador:

    Prof. Dr. Silvio de Oliveira Jr.

    So Paulo

    2009

  • AGRADECIMENTOS

    Agradeo primeiramente Deus, por me prover sabedoria e discernimento

    nas escolhas, sade e disposio para enfrentar s adversidades e principalmente

    por me mostrar sempre a luz nos caminhos que escolhi para vida, pois tenho certeza

    que se hoje sou to merecedor de tudo que j alcancei, o Sr. tambm o por me dar

    seu aval e beno, possibilitando que tudo isso fosse possvel.

    Agradeo tambm aos meus familiares e amigos pela pacincia,

    compreenso e apoio, principalmente nos momentos mais difceis.

    Agradeo em especial minha me Ana Maria Fusco Kronemberger, por me

    prover a vida, me ensinar o significado de amar e a importncia de cuidarmos dia

    aps dia daqueles que nos cercam.

    Agradeo ao meu orientador Prof. Dr. Silvio de Oliveira Jr. pelo

    direcionamento no trabalho de formatura e em extenso todos os professores da

    Escola Politcnica da Universidade de So Paulo dos quais tive a oportunidade de

    ser ensinado.

    Agradeo tambm ao Prof. Dr. Luiz Felipe Pellegrini por sua ajuda ao longo

    do trabalho de formatura e por sua tese de doutorado que serviu de referncia

    fundamental boa execuo do trabalho.

  • FICHA CATALOGRFICA

    Kronemberger, Alexandre Fusco

    Anlise tcnico-econmica da produo de lcool a partir do

    Bagao de cana-de-acar / A.F. Kronemberger. So Paulo,

    2009.

    93 p.

    Trabalho de Formatura - Escola Politcnica da Universidade

    de So Paulo. Departamento de Engenharia Mecnica.

    1. Cana-de-acar 2. Bagaos 3. Hidrlise 4. Celulose 5. Eta-

    nol I. Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departa-

    mento de Engenharia Mecnica II. t.

  • RESUMO

    O presente trabalho de formatura estuda a viabilidade tcnico-econmica de

    destinar parte do bagao de cana-de-acar para o aumento da produo de etanol

    atravs de um processo de hidrlise da celulose, ao invs de sua utilizao de forma

    integral como combustvel em geradores de vapor de ciclos Rankine de cogerao

    que fornecem potncia mecnica para usina e energia eltrica para a rede. Esta

    avaliao foi realizada mais detalhadamente atravs de um estudo de caso de um

    processo de hidrlise cida que utiliza cido sulfrico baixa concentrao

    combinado com um solvente orgnico, no caso o prprio etanol, para facilitar a

    retirada dos acares contidos na celulose e hemicelulose do bagao da cana-de-

    acar.

    Foi obtido como resultado principal o aumento de produtividade de quase

    14%, passando de atuais 92,5 l etanol/ton cana para 104,9 l etanol/ton cana. Tal

    aumento, provou-se ser ainda baixo, porm j satisfatrio, frente ao potencial que

    pequenos incrementos de tecnologia possam alcanar.

    Em termos energticos o aumento da demanda de vapor de mostrou-se um

    parmetro crtico, tendo atingido acrscimos de mais de 110% em comparao ao

    utilizado para os processos de produo tradicional. Este valor alm de restritivo

    bastante preocupante pois compromete a quantidade de excesso de bagao

    remanescente na usina, reduzindo drasticamente a parcela que pode ser destinada

    sofrer a hidrlise. Tal aumento na demanda de vapor se deveu principalmente

    necessidade de se elevar a temperatura da mistura que chega ao reator e

    secundariamente necessidade de se recuperar o etanol utilizado como solvente

    para ser realimentado no processo nas colunas de destilao.

    Em termos de exergia o principal responsvel pelas irreversibilidades nos

    processos foi a fermentao, como era de se esperar, sendo responsvel por quase

    76% da exergia destruda, seguido pelo trocador de calor, tanque de recuperao de

    etanol e vlvula de expanso.

  • Em termos de custo, foram levantados os custos de produo em base

    exergtica e em seguida realizou-se a converso para base mssica, obtendo

    valores de custo de produo para a totalidade do etanol de 0,4009 USD/l etanol

    total, valores estes no muito diferentes dos obtidos de acordo com pesquisas de

    processos de produo que utilizam como cultura a cana-de-acar (0,25 - 0,37

    USD/l etanol).

    Porm atravs da suposio que o custo composto linearmente pela parcela

    de produo tradicional e a parcela de produo por hidrlise pode-se obter, atravs

    de uma proporcionalidade entre os volumes de cada rota, o real valor do custo do

    etanol de hidrlise. Assim, chegou-se a valores de 1,114 USD/l etanol.

    Tambm foi feita uma anlise em busca do preo de venda que equilibrasse a

    receita entre a produo tradicional e a alternativa com hidrlise e chegou-se a um

    preo de venda de "break-even" de 1,08 USD/l etanol.

    Assim, o custo associado apenas a parcela de produo via hidrlise remete

    a valores impraticveis em termos de mercado e demanda nacional, principalmente

    no eixo dos principais produtores de etanol do pas, fato este confirmado pelo

    elevado valor do ponto de equilbrio entre a alternativa e ao j praticado. Porm,

    quando analisado o custo global da soluo e o correspondente incremento de

    rendimento por tonelada de cana-de-acar processada, a alternativa pode

    representar uma maior flexibilizao da capacidade de produo e venda de etanol.

    J para hidrlise enzimtica, limitaes, principalmente em termos tecnolgicos,

    ainda limitam o desenvolvimento da alternativa mesmo que em carter laboratorial.

    Palavras-chave: Cana-de-acar. Bagao. Hidrlise. Celulose. Etanol.

  • ABSTRACT

    This graduation work studies the technical and economic feasibility of

    destination a portion of sugar cane bagasse to increase ethanol production through a

    process of hydrolysis of cellulose, rather than use it all as a fuel in steam generators

    of Rankine cycle of cogeneration that provides mechanical and electric power to the

    plant and to the network. This was carried out more detailed through a case study of

    an acid hydrolysis process using sulfuric acid at low concentration combined with an

    organic solvent, where the ethanol itself, to facilitate the removal of the sugars

    contained in cellulose and hemicellulose from sugar cane bagasse.

    As a primary result it was possible to increase productivity in almost 14% from

    current 92.5 l ethanol / ton sugar cane to 104.9 l / ton sugar cane. This increase has

    proved to be still low, but quite satisfactory, compared to the potential that small

    increments of technology can achieve.

    In energy terms the increase in demand for steam proved to be a critical

    parameter, reaching more than 110% of increase, compared to that used for

    traditional production processes. This value also is quite worrying as it is restrictive

    because it jeopardizes the amount of bagasse excess remaining at the plant,

    drastically reducing the portion that can be directed to hydrolysis processes. This

    increase in steam demand is primarily due to the need to raise the temperature of the

    mixture that reaches the reactor and secondly the need to recover the ethanol in

    distillation columns used as solvent for the feed back process.

    In terms of exergy the primary cause of irreversibility was the fermentation

    process, as might be expected, accounting for nearly 76% of the destroyed exergy,

    followed by heat exchanger, tank recovery of ethanol and expansion valve.

    In terms of cost, production costs were raised on exergetic basis and then held

    a conversion to mass basis, obtaining values of 0.4009 USD / l ethanol for the whole

    production of ethanol, a result not as distant that the ones obtained according to a

    research from production processes that use sugar cane to produce ethanol (0.25 to

    0.37 USD / l ethanol).

  • But by the assumption that the cost is composed by a linear plot of traditional

    production and hydrolysis production, the actual value of the cost of ethanol from

    hydrolysis can be obtained through a proportionality between the volume of each

    route. Thus, the value was 1.114 USD / l ethanol.

    It has also been analyzed in search of the break-even selling price to balance

    between revenue production with traditional and alternative hydrolysis. The value

    reached was 1.08 USD/l ethanol.

    Thus, the cost associated with only the production via hydrolysis refers to

    impractical values in terms of domestic market and demand, especially in the axis of

    the main producers of ethanol in the country, a fact confirmed by the high value of

    the break-even point. However, when analyzing the overall cost of the solution and

    the corresponding increase in revenue per ton of cane processed, the alternative

    may represent a more flexible production capacity and sale of ethanol. As for

    enzymatic hydrolysis, limitations, especially in terms of technology, still limit the

    development of the alternative even in laboratory environment.

    Key-words: Sugar cane. Bagass. Hydrolysis. Cellulose. Ethanol.

  • LISTA DE FIGURAS

    Figura 1 - Evoluo na produo de etanol ................................................................. 1

    Figura 2 - Evoluo da frota de veculos ..................................................................... 2

    Figura 3 - Deslocamento do eixo das fabricantes de automveis ............................... 3

    Figura 4 - Zoneamento agroambiental para o setor sucroalcooleiro ........................... 6

    Figura 5 - Metas de adio de lcool anidro na gasolina ............................................ 7

    Figura 6 - Anlise SWOT ............................................................................................ 8

    Figura 7 - Distribuio de energia solar em uma planta de cana-de-acar ............. 17

    Figura 8 - Rotas para produo do lcool celulsico ................................................. 26

    Figura 9 - Custo por litro dos principais representantes ............................................ 30

    Figura 10 - Fluxograma de uma usina tradicional ..................................................... 40

    Figura 11 - Fluxograma da proposta de estudo com hidrlise .................................. 41

    Figura 12 - Etapas que envolvem a rota de hidrlise ................................................ 45

    Figura 13 - Hidrlise e Fermentao Separadas - SHF ............................................ 48

    Figura 14 - Sacarificao e Fermentao Simultneas - SSF ................................... 49

    Figura 15 - Sacarizao e Cofermentao Simultneas - SSCF ............................... 49

    Figura 16 - Bioprocesso Consolidado - CBP ............................................................. 50

    Figura 17 - Modelagem da hidrlise cida ................................................................ 55

    Figura 19 - Fluxograma de extrao do caldo............................................................67

  • LISTA DE TABELAS

    Tabela 1 - Composio molar da cana-de-acar ..................................................... 16

    Tabela 2 - Primeira anlise para o setor no ano de 2012 .......................................... 43

    Tabela 3 - Segunda anlise para o setor no ano de 2012 ......................................... 43

    Tabela 4 - Condies de funcionamento de uma destilaria padro ........................... 56

    Tabela 5 - Exergia de alguns componentes utilizados .............................................. 68

    Tabela 6 - Dados extrados de uma planta tradicional .............................................. 70

    Tabela 7 - Correo de custos para trocadores de calor .......................................... 72

    Tabela 8 - Correo de custos para tanques de mistura ........................................... 74

    Tabela 9 - Correo de custos para bombas ............................................................ 75

    Tabela 10 - Correo de custos para o reator ........................................................... 76

    Tabela 11 - Resultado do custo dos equipamentos .................................................. 78

    Tabela 12 - Resultado do fluxo de massas em cada ponto do modelo ..................... 79

    Tabela 13 - Resultado da exergia destruda em cada volume de controle ................ 80

    Tabela 14 - Custo dos insumos utilizados na simulao ........................................... 80

    Tabela 15 - Resultado dos custos em base exergtica ............................................. 81

    Tabela 16 - Resultado dos custos em base mssica ................................................ 82

    Tabela 17 - Resultado dos custos de produo por litro de etanol produzido...........83

  • SUMRIO

    1INTRODUO .......................................................................................................... 1

    1.1 CENRIO NACIONAL ...................................................................................... 1

    1.2 CENRIO INTERNACIONAL ........................................................................... 2

    1.3 ANLISE DO PANORAMA GERAL ................................................................. 8

    2REVISO TERICA DA TERMODINMICA .......................................................... 10

    2.1 DEFINIES PARA SISTEMAS .................................................................... 10

    2.1.1A PRIMEIRA LEI DA TERMODINMICA ......................................... 10

    2.1.2ENERGIA INTERNA ........................................................................ 11

    2.1.3ENTALPIA ........................................................................................ 11

    2.1.4A SEGUNDA LEI DA TERMODINMICA ........................................ 11

    2.1.5ENTROPIA ....................................................................................... 12

    2.2 DEFINIES PARA VOLUME DE CONTROLE ............................................ 12

    2.2.1BALANO DE MASSA ..................................................................... 12

    2.2.2BALANO DE ENERGIA ................................................................. 13

    2.2.3BALANO DE ENTROPIA ............................................................... 13

    2.3 IRREVERSIBILIDADE E DISPONIBILIDADE ................................................. 13

    2.3.1BALANO DE EXERGIA ................................................................. 14

    2.4 SIMPLIFICAES.......................................................................................... 14

    3PROCESSOS ENVOLVIDOS NA PRODUO DO ACAR E LCOOL............. 16

    3.1 COLHEITA ...................................................................................................... 17

    3.2 LAVAGEM ...................................................................................................... 18

    3.3 PREPARO ...................................................................................................... 18

    3.4 EXTRAO .................................................................................................... 18

    3.4.1MOAGEM ......................................................................................... 19

  • 3.4.2DIFUSO ......................................................................................... 19

    3.5 TRATAMENTO DO CALDO ........................................................................... 20

    3.5.1CLARIFICAO ............................................................................... 20

    3.6 PRODUO DO AUCAR ............................................................................ 22

    3.7 PRODUO DO LCOOL ............................................................................. 23

    4ALCOOL CELULSICO .......................................................................................... 26

    4.1 A CELULOSE ................................................................................................. 26

    4.1.1PAREDE CELULAR DA CANA-DE-ACAR .................................. 27

    4.2 ETANOL DE PRIMEIRA GERAO: FERMENTAO DA SACAROSE ...... 28

    4.3 ETANOL DE SEGUNDA GERAO: HIDRLISE CIDA ............................. 29

    4.4 ETANOL DE TERCEIRA GERAO: HIDRLISE ENZIMTICA ................. 31

    4.5 ETANOL DE QUARTA GERAO: A PLANTA AJUDANDO NA PRODUO

    DE ETANOL ........................................................................................................... 32

    5ANLISE EXERGTICA E TERMOECONMICA .................................................. 34

    5.1 TERMOECONOMIA ....................................................................................... 34

    5.2 FERRAMENTAS DE CLCULO DOS PARMETROS DAS SOLUES,

    CANA-DE-ACAR E BAGAO ........................................................................... 36

    5.2.1SOLUES GUA-SACAROSE ..................................................... 36

    5.2.2SOLUES GUA-ETANOL ........................................................... 36

    5.2.3BAGAO DA CANA-DE-ACAR ................................................... 38

    5.3 ANLISE EXERGTICA - USINA SUCROALCOOLEIRA TRADICIONAL ..... 39

    5.3.1ARRANJO DE COGERAO .......................................................... 39

    6PROPOSTA PARA A ANLISE DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA

    TRADICIONAL COM GERAO DE LCOOL CELULSICO ................................. 41

    6.1 POTENCIAL DE INCREMENTO DE PRODUO ......................................... 42

    6.2 DINMICA DOS PROCESSOS ...................................................................... 44

    6.2.1PR-TRATAMENTO ........................................................................ 45

  • 6.2.2HIDRLISE ...................................................................................... 45

    6.2.3SEPARAO E CONCENTRAO ................................................ 46

    6.2.4FERMENTAO DO LICOR............................................................ 46

    6.2.5DESTILAO................................................................................... 46

    6.3 FATORES QUE INFLUENCIAM NA EFICINCIA GLOBAL .......................... 47

    6.4 HIDRLISE ENZIMTICA .............................................................................. 47

    6.4.1HIDRLISE E FERMENTAO SEPARADAS SHF .................... 48

    6.4.2SACARIZAO E FERMENTAO SIMULTNEAS SSF ........... 49

    6.4.3SACARIZAO E COFERMENTAO SIMULTNEAS SSCF...49

    6.4.4BIOPROCESSO CONSOLIDADO - CBP ......................................... 50

    6.4.5ENTRAVES DA TECNOLOGIA DA HIDRLISE ENZIMTICA.. ..... 50

    6.5 HIDRLISE CIDA ........................................................................................ 52

    6.5.1MODELAGEM DA HIDRLISE CIDA - DHR-ORGANOSOLV.......53

    7ANLISE ECONMICA DOS EQUIPAMENTOS .................................................... 71

    7.1 TROCADORES DE CALOR ........................................................................... 71

    7.2 TANQUES DE MISTURA ............................................................................... 73

    7.3 BOMBA ........................................................................................................... 74

    7.4 REATOR ......................................................................................................... 75

    7.5 COLUNA DE DESTILAO ........................................................................... 77

    8RESULTADO DAS SIMULAES .......................................................................... 78

    8.1 EQUIPAMENTOS ........................................................................................... 78

    8.2 PROCESSOS ................................................................................................. 78

    9DISCUSSO DE RESULTADOS ............................................................................ 84

    10BIBLIOGRAFIA.......................................................................................................88

    APNDICE A.............................................................................................................A1

  • 1

    1 INTRODUO

    Presses internacionais pela crescente preocupao com o aquecimento

    global, polticas pblicas que visam reduo da dependncia dos derivados de

    petrleo e o aumento do uso de fontes de energia renovveis na matriz energtica

    mundial colocam o Brasil em posio de destaque internacional ano aps ano.

    Nesse contexto, o etanol pode ser visto como uma fonte energtica renovvel,

    menos poluente e com potencial tanto de complementar como substituir parte dos

    combustveis fsseis na matriz energtica dos pases, principalmente no setor de

    transportes.

    1.1 CENRIO NACIONAL

    O Balano Energtico Nacional (BEN), documento publicado anualmente pelo

    Departamento de Planejamento Energtico do Ministrio de Minas e Energia indica o

    cresceste aumento do etanol na matriz energtica nacional. Dados do ano base de

    2007 revelam aumento de 27% na produo e 28,6% no consumo final (Figura 1).

    Porm o aumento da demanda no fica restrito apenas ao mercado interno e

    possvel verificar, apesar de menos expressiva, notada evoluo nas exportaes,

    com um crescimento de 2,1% (MINISTRIO DE MINAS E ENERGIA, 2008).

    A construo de novas unidades industriais, bem como o desenvolvimento de

    variedades de cana-de-acar com maior teor de acar e o aumento do rendimento

    nos processos de converso da cana-de-acar e melao possibilitaram

    incrementos substanciais na produo do etanol, permitindo a formao de estoques

    e garantindo o fornecimento e o equilbrio de preos inclusive durante o perodo

    entre safras.

    Figura 1 - Evoluo na produo de etanol

    0

    5.000

    10.000

    15.000

    20.000

    2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

    m (

    x10

    )

    Ano

    Consumo Interno

    Exportao

  • 2

    O crescimento da produo de lcool pode ser correlacionado com a tentativa

    de padronizao da frota de veculos nacional, que ocorre desde 2005, para a

    modalidade bi-combustvel, tambm conhecidos popularmente como Flex (Figura 2).

    Como a parcela da produo voltada ao mercado interno dedica-se praticamente em

    sua totalidade a frota rodoviria, a regulao dos preos praticados ao consumidor

    fortemente influenciada e dependente da expanso do setor produtivo de lcool. A

    Associao Nacional dos Fabricantes de Veculos Automotores (ANFAVEA), revela

    a tendncia da frota nacional (ANFAVEA, 2005-2009).

    Figura 2 - Evoluo da frota de veculos

    1.2 CENRIO INTERNACIONAL

    Em tempos de ps crise mundial com conseqncias como a escassez de

    crdito e a crise de confiana dos consumidores, as indstrias que fornecem bens

    para mercados dependentes de financiamento foram fortemente atingidas. Nos EUA

    e ndia, 75% dos veculos zero-quilmetro so financiados. No Brasil, a proporo

    de 50%. A China segue como a exceo dos grandes mercados onde a proporo

    de 20%. Assim, medidas facilitadoras como a reduo do Imposto sobre Produtos

    Industrializados (IPI) para modelos de veculos de at 2.0 cilindradas (cc) no Brasil

    ajudaram o mercado a retornar a patamares semelhantes aos atingidos em 2008, o

    melhor ano da indstria automobilstica no pas. Porm, essas so medidas

    paliativas e pontuais e apenas precedem uma reestruturao, em termos globais,

    necessria de toda a cadeia produtiva de um setor que movimentou 3,8% do

    Produto Interno Bruto (PIB) mundial no ano de 2007 (REVISTA EXAME, 2009).

    0%

    10%

    20%

    30%

    40%

    50%

    60%

    70%

    80%

    90%

    100%

    2005 2006 2007 2008 2009

    Po

    rce

    nta

    gem

    Ano

    Gasolina

    Flex

  • 3

    O crescimento da participao no mercado automobilstico de pases como

    Brasil, Rssia, ndia e China, que compem o BRIC, ser determinante para o

    sucesso da reestruturao do setor. previsto que estes novos mercados em

    ascenso atraiam as montadoras tradicionais e abram espao para o surgimento de

    uma nova indstria, que alm de concentrar enormes vantagens do ponto de vista

    de custos de produo e de mo-de-obra, abriga uma parcela potencialmente

    consumidora imensa.

    At 2015, segundo as previses da CSM Worldwide, o crescimento do setor

    no pas far o mercado brasileiro encostar no japons em termos de

    participao nas vendas mundiais de veculos, com 5,4% ante 6%. Diante

    desse tipo de projeo, as multinacionais tendem a acelerar iniciativas no

    apenas para vender mais carros no Brasil mas tambm no sentido de

    transformar o pas numa base de exportao mundial de carros. (REVISTA

    EXAME, 2009)

    Figura 3 - Deslocamento do eixo das fabricantes de automveis (REVISTA EXAME, 2009)

    Assim, o Brasil ter grandes oportunidades de crescimento para a indstria

    automobilstica tanto no mercado interno como tambm para as exportaes (Figura

  • 4

    3). Mais do que isso, a mudana do eixo para os pases emergentes poder

    favorecer a consolidao do lcool como alternativa aos combustveis fsseis no

    mais apenas no mbito nacional, mas em propores mundiais, j que os principais

    responsveis por essa mudana de cenrio so pases de grande potencial e em

    processo de expanso da produo de etanol e que demonstram bastante interesse

    na tecnologia desenvolvida pelo Brasil.

    A China vai desenvolver novas plantaes de cana-de-acar, sorgo doce,

    mandioca e couve-nabia, que produziro biomassa para atender

    crescente demanda de etanol no pas, segundo um plano do Ministrio da

    Agricultura divulgado nesta quarta-feira At 2010, a produo total de

    biomassa ser equivalente a 500 milhes de toneladas de carvo,

    fornecendo 24% da energia consumida no pas.[...] O plano descarta a

    expanso de produo de etanol a partir de cereais, sobretudo milho, a fim

    de evitar prejuzos ao setor alimentcio.[...] A China deve produzir 6 milhes

    de toneladas de etanol em 2010 e 15 milhes em 2020 (PORTAL G1 -

    GLOBO, 2009).

    Os indianos pretendem investir 500 milhes de dlares na compra de usinas

    j existentes e tambm na construo de novas unidades no pas. A ndia j

    aprovou uma lei que permite a adio de 5% de lcool a toda a gasolina

    consumida no pas, o que deve gerar um mercado de 500 milhes de litros

    de etanol por ano na terra dos marajs (PLANETA SUSTENTVEL, 2007).

    O Brasil o principal produtor de cana-de-acar, representando 31,4% da

    produo mundial, de 1,3 bilhes de toneladas. Na seqncia, aparece a ndia com

    20,6% de participao, a China com 7,4 % e o Mxico com 3,7% (DATAGRO, 2008).

    Desta forma, o setor sucro-alcooleiro carecer de mudanas em sua estrutura

    para acompanhar o nvel de produo exigido. Tais mudanas podem ser realizadas

    sobre duas formas bastante distintas, mas no mutuamente excludentes:

    Aumento das reas de plantio e conseqentemente de usinas de

    produo.

    Desenvolvimento de novas tecnologias ou formas de extrair mais

    etanol dos resduos do acar e lcool (bagao, vinhaa, torta de filtro

    e levedura).

  • 5

    A primeira forma eficaz e dado os 340 milhes de hectares (ha)

    agriculturveis, dentre os quais 7,8 milhes so utilizados para plantio de cana-de-

    acar (IBGE, 2008), representa uma alternativa simples de crescimento, porm de

    forma horizontal. Cabe lembrar que esta rea deve ser utilizada para plantao de

    alimentos e pastagens e, portanto, a expanso se torna limitada. Em termos

    prticos, a primeira vista, para o Brasil tal preocupao ainda no crtica, j que

    cerca de 200 milhes de ha agriculturveis so destinados a pastagem, a maioria

    em sua forma extensiva, havendo um sub aproveitamento das terras. Alm do mais,

    o investimento em tcnicas mais eficientes de manejo, como o de confinamento e

    semi-confinamento, para a criao de forma intensiva, podem ser praticadas com

    bastante sucesso, utilizando a prpria cana-de-acar como parte da alimentao,

    tcnica essa j usada no estado de So Paulo (NASTARI, 2008).

    Porm, prticas que visam o desenvolvimento sustentvel buscando maior

    espao e aceitao no mercado internacional, reduzindo as presses de entidades

    ambientais quanto invaso de reas de preservao, principalmente quanto ao

    pantanal mato-grossense e a Amaznia esto sendo gradualmente implantadas.

    Uma das principais medidas o zoneamento agrcola, que demarca as reas onde

    permitido o cultivo das matrias-primas destinadas produo de bicombustveis,

    mostrando que as reas reais disponveis de disponibilidade direta so de

    dimenses muito menores.

    Tomando como exemplo o principal produtor do setor sucroalcooleiro do pas,

    o zoneamento realizado pela Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuria

    (EMBRAPA) revelou que o estado de So Paulo possui 3,9 milhes de ha de reas

    adequadas para as atividades sucroalcooleiras, 8,6 milhes de ha de reas

    adequadas com limitaes ambientais, no caso, pela presena de reas protegidas,

    5,5 milhes de ha de reas adequadas com restries ambientais, que tero normas

    mais rigorosas a serem seguidas e 6,7 milhes de ha de reas inadequadas, onde o

    governo no aprovaria a instalao de usinas (SMA ; SAA ; EMBRAPA, 2009)

    (Figura 4).

    Assim, com uma rea ocupada de mais de 4,4 milhes de ha na safra

    2008/2009 (CANASAT, 2008), os canaviais podero avanar sobre as reas de

  • 6

    limitaes e restries desde que se invista em obras de compensao ambiental, o

    que pode inviabilizar parcialmente ou totalmente o processo dado o maior custo

    atrelado ao investimento.

    Figura 4 - Zoneamento agroambiental para o setor sucroalcooleiro (EMBRAPA)

    Segundo Caio Carvalho, diretor da Consultoria Canaplan, para que todos os

    pases, exceto os da Organizao para a Cooperao e Desenvolvimento

    Econmico (OCDE), misturem 10% de lcool sua gasolina, seriam

    necessrios 32,7 bilhes de litros. Para que tal volume seja produzido, o

    Brasil necessitaria de uma rea de 5,6 milhes de hectares. J para

    produzir os 84 bilhes de litros que a adio de 10% gasolina dos pases

    da OCDE demandaria, seriam necessrios 14,4 milhes de hectares.

    (NEVES, CONEJERO, & AMARAL, 2009).

    A segunda forma prope um crescimento vertical, com as melhorias

    provenientes de uma tecnologia ainda em desenvolvimento. Dado o alto potencial

    energtico do bagao da cana-de-acar e o seu grande volume extrado das

    destilarias (cerca de 30%) e das usinas (cerca de 10%) pode-se aumentar a

    produo de etanol em at 30% sem aumentar a rea plantada (OLIVEIRA &

    VASCONCELOS, 2006). Isso possvel atravs de um processo de hidrlise da

    celulose, principal constituinte das fibras vegetais, seguido de fermentao. Como

    resultado, pode-se obter o que conhecido como etanol de segunda gerao ou

    etanol celulsico custa de grandes quantidades de bagao.

  • 7

    Diversos so os pases que definiram metas muito agressivas de adio de

    lcool anidro na gasolina. (Figura 5).

    Figura 5 - Metas de adio de lcool anidro na gasolina (NEVES, CONEJERO, & AMARAL, 2009)

    A demanda mundial poder alcanar cerca de 180 bilhes de litros em 2012.

    Isso significaria uma produo mundial trs vezes maior de etanol do que se

    produziu em 2007 apenas para suprir a demanda de etanol combustvel. A

    suposio pode parecer exagerada, mas no utpica.

  • 1.3 ANLISE DO PANORAMA

    Uma ferramenta de anlise de um cenrio ou ambiente muito utilizada como

    base para gesto e planejamento estratgico de uma corporao ou empresa a

    matriz SWOT (Figura 6). A sigla um acrnimo de Foras (

    (Weaknesses), Oportunidades (

    simplicidade e seu poder de sntese dos fatores m

    facilitam a compreenso da dinmica dos fatores e possibilitam uma deciso

    pautada em uma anlise slida quando os parmetros crticos forem contemplados

    de forma mais real possvel.

    Foras:

    Liderana dentre os pases produtores.

    Grande rea livre para o plantio.

    Conhecimento das peculiaridades da cultura como perodos de safra,

    entre safras, caractersticas climticas desejveis, irrigao adequada.

    Maior rendimento da

    outras culturas plantadas em outros pases.

    O etanol proveniente da cana bastante eficaz na mitigao dos

    Gases de Efeito Estufa (GEE)

    Fraquezas:

    ANLISE DO PANORAMA GERAL

    Uma ferramenta de anlise de um cenrio ou ambiente muito utilizada como

    base para gesto e planejamento estratgico de uma corporao ou empresa a

    ). A sigla um acrnimo de Foras (Strengths), Fraquezas

    eaknesses), Oportunidades (Opportunities) e Ameaas (Threats) e sua

    simplicidade e seu poder de sntese dos fatores mais relevantes para uma deciso

    facilitam a compreenso da dinmica dos fatores e possibilitam uma deciso

    pautada em uma anlise slida quando os parmetros crticos forem contemplados

    de forma mais real possvel.

    Figura 6 - Anlise SWOT (WIKIPEDIA)

    Liderana dentre os pases produtores.

    Grande rea livre para o plantio.

    Conhecimento das peculiaridades da cultura como perodos de safra,

    entre safras, caractersticas climticas desejveis, irrigao adequada.

    Maior rendimento da converso plantao em etanol em relao s

    outras culturas plantadas em outros pases.

    O etanol proveniente da cana bastante eficaz na mitigao dos

    Gases de Efeito Estufa (GEE)

    8

    Uma ferramenta de anlise de um cenrio ou ambiente muito utilizada como

    base para gesto e planejamento estratgico de uma corporao ou empresa a

    trengths), Fraquezas

    hreats) e sua

    s para uma deciso

    facilitam a compreenso da dinmica dos fatores e possibilitam uma deciso

    pautada em uma anlise slida quando os parmetros crticos forem contemplados

    Conhecimento das peculiaridades da cultura como perodos de safra,

    entre safras, caractersticas climticas desejveis, irrigao adequada.

    converso plantao em etanol em relao s

    O etanol proveniente da cana bastante eficaz na mitigao dos

  • 9

    Pouco incentivo ao desenvolvimento de tcnicas que incrementam a

    produo.

    Dificuldade de obteno de crdito e facilidades fiscais para projetos de

    criao e expanso de plantio.

    Tecnologia recente e, portanto, de altos investimentos iniciais, tanto

    para a usina j instalada como para a que ainda ser construda.

    Oportunidades:

    Mudana do eixo das tradicionais montadoras para os pases

    emergentes, como os constituintes do BRIC.

    Desenvolvimento de uma nova indstria voltada veculos mais

    compactos, de menores cilindradas e mais eficientes, mercado no qual

    o Brasil j tem know-how elevado.

    Consolidao do lcool como alternativa aos outros combustveis com

    o apoio de pases com grande capacidade produtiva como a China e

    que faro parte da reestruturao do setor automobilstico.

    Aumento crescente mundial da proporo de lcool anidro na gasolina,

    principalmente nos mercados americano e asitico.

    Fortalecimento do conceito de sustentabilidade e de uso dos recursos

    naturais da maneira mais eficiente possvel.

    Ameaas:

    Presses ambientais a cerca da utilizao das reas de plantio para

    culturas destinadas a produo de lcool ao invs da de alimentos.

    Outras formas de diversificao do uso combustveis, renovveis ou

    no, como a eltrica ou a de clulas de combustvel.

  • 10

    2 REVISO TERICA DA TERMODINMICA

    A seo a seguir tem a finalidade de facilitar a modelagem do problema,

    definindo as ferramentas termodinmicas que sero utilizadas ao longo do trabalho e

    fundamentando o trabalho do ponto de vista terico. As definies seguem a teoria

    termodinmica clssica (VAN WYLER, SONNTAG, & BORGNAKKE, 2003).

    2.1 DEFINIES PARA SISTEMAS

    Um sistema termodinmico definido como uma parcela de matria com

    massa e identidade permanentes. Tudo que circunda o sistema definido como

    vizinhana e separado pelas fronteiras do sistema, mveis ou fixas.

    2.1.1 A PRIMEIRA LEI DA TERMODINMICA

    A primeira lei da termodinmica, tambm conhecida como a lei da

    conservao da energia, estabelece que percorrendo qualquer ciclo de um sistema,

    a integral cclica do calor equivalente a integral cclica do trabalho.

    Q = W (1) Assim, considerando processos arbitrrios A e B que levam dos estados 1 e 2

    por caminhos diferentes, teremos:

    QA QB =

    WA

    WB

    (2) Reordenando as expresses:

    Q WA = Q WB

    (3) De onde se tira que as quantidades dependem apenas dos

    estados 1 e 2, agora chamados inicial e final, e no do caminho percorrido entre

    eles, sendo, portanto, uma diferencial de ponto e por conseqncia de uma

    propriedade do sistema. Essa propriedade a energia, que pode ser dividida em

    trs subdivises: energia cintica, potencial e interna.

  • 11

    Q W = dE (4) E = E + EP + U (5) Enquanto as parcelas cintica e potencial ficam associadas ao sistema de

    coordenadas escolhido, a interna associada ao estado termodinmico do sistema

    e todas elas so propriedades extensivas, ou seja, dependente da massa do

    sistema.

    2.1.2 ENERGIA INTERNA

    A energia interna a parcela da energia que computa toda energia no

    definida pelas parcelas cintica e potencial, como por exemplo a energia associada

    ao movimento e posio das molculas, a estrutura tomo e etc.

    Como o estado de uma substncia pura pode ser determinado por duas

    propriedades independentes, a energia interna de grande importncia ao

    tratamento termodinmico.

    2.1.3 ENTALPIA

    Propriedade termodinmica extensiva fundamental e de maior aplicabilidade

    para volumes de controle.

    H = U + pV (6) 2.1.4 A SEGUNDA LEI DA TERMODINMICA

    A segunda lei da termodinmica estabelece a direcionalidade da ocorrncia

    dos processos e defina a impossibilidade de se obter eficincias trmicas inferiores a

    100%, dados os prprios enunciados de Kelvin-Planck e Clausius. Assim, fica

    estabelecido que eficincias mximas tericas sejam definidas atravs do Ciclo ideal

    de Carnot, que difere de um Ciclo real atravs das irreversibilidades externas e

    internas dos processos.

    Assim para o Ciclo de Carnot, o rendimento pode ser explicitado por:

  • 12

    CARNOT = 1 THTL (7) E o Ciclo real:

    REAL = 1 QHQL CARNOT (8)

    2.1.5 ENTROPIA

    A entropia uma medida avaliadora do grau de caos do sistema. Processos

    idias reversveis no produziro maior efeito na degradao da qualidade da

    matria, porm processos reais podem ser altamente irreversveis, o que acarretar

    em uma parcela de entropia gerada.

    Por conseqncia a entropia de um sistema s pode ser reduzida quando

    existir retirada de calor do sistema. Assim, a transferncia de calor para o sistema ou

    processos irreversveis s aumentaro a entropia do sistema.

    2.2 DEFINIES PARA VOLUME DE CONTROLE

    Volume de controle (VC) uma entidade no espao que delimita a regio de

    interesse. Seu tamanho e forma so arbitrrios, visando sempre tornar a anlise o

    mais simples possvel. Sua nica restrio que a superfcie que o envolve, que

    pode ser fixa ou mvel, seja fechada e que seu movimento seja referenciado a

    algum sistema de coordenadas.

    2.2.1 BALANO DE MASSA

    Em um VC arbitrrio com vrios pontos de entrada e vrios pontos de sada, o

    balano de massa pode ser representado por:

    dmVCdt = * m+ , * m+ - (9)

  • 13

    2.2.2 BALANO DE ENERGIA

    A representao da primeira lei da termodinmica em termos de fluxo mais

    conveniente para volumes de controle. Para um VC arbitrrio, temos:

    dEVCdt = Q+ VC W+ VC + * m+ e /he+ 12 ve2+gze5 - * m+ s /hs+ 12 vs2+gzs5 (10)

    2.2.3 BALANO DE ENTROPIA

    A representao da segunda lei da termodinmica em termos de fluxo mais

    conveniente para volumes de controle. Para um VC arbitrrio, temos:

    dSVCdt * m+ ,. s, * m+ -. s- + * Q+ VCT (11)

    2.3 IRREVERSIBILIDADE E DISPONIBILIDADE

    O conceito de disponibilidade esta relacionado com o trabalho disponvel a

    ser extrado de uma mquina trmica. Essa quantidade maximizada quando os

    processos so todos reversveis. Porm, j que os processos reais so, de maneira

    geral, irreversveis a quantidade de trabalho de eixo ento reduzida.

    A irreversibilidade pode ser definida como:

    I = WREV WREAL = T

  • 14

    B = ?h T

  • 15

    w = W+ VCm+ (18) J a segunda lei fica escrita como:

    m+ . s- s, = * Q+ VCT + S+ GER (19) E o balano de exergia:

    w = wREV T

  • 16

    3 PROCESSOS ENVOLVIDOS NA PRODUO DO ACAR E

    LCOOL

    A cana-de-acar uma das poucas plantas que tem como carboidrato

    armazenador da energia proveniente da radiao solar a sacarose, j que de modo

    geral o principal carboidrato encontrado nas plantas o amido.

    Para que se possa entender como se acumula a energia na cana-de-acar

    necessrio que se conhea a composio molar mdia de uma cultura padro. Seus

    valores so demonstrados na tabela a seguir (PELLEGRINI, 2009):

    Tabela 1 - Composio molar da cana-de-acar

    Fatores como maior eficincia na converso energtica da radiao solar e

    maior produtividade fazem com que a cana-de-acar leve inmeras vantagens em

    relao a uma das principais plantaes utilizadas para produo de lcool, o milho

    (Figura 7). Enquanto a eficincia energtica de converso da cana-de-acar fica

    em torno de 4,8% (CAMARGO, 1990) a do milho de 3,2% (ODUM, 1971), um

    incremento significativo de 50%. Os valores de produtividade apresentam uma

    diferena de mais de 1000%, so 80 a 90 ton/ha com plantaes de cana-de-acar

    no Brasil contra 8 a 9 ton/ha e 3 a 4 t/ha com plantaes de milho nos EUA e Brasil,

    respectivamente (SHAPOURI, DUFFIELD, & WANG, 2006).

    A produo nacional dividida em duas regies com perodos de safra bem

    delimitados:

    Centro-Sul com moagens entre os meses de abril e novembro

    Norte-Nordeste: com moagens entre os meses de agosto e maro

    Frao Molar (%)65 - 7511 - 1808 - 1412 - 23

    Acares 75 - 93 Sais 03 - 05 Proteinas 0,5 - 0,6

    Slidos SolveisFibras

    Sacarosegua

    Componente

  • 17

    Contudo, a anlise ser realizada, sem perda de generalidade, com foco na

    regio Centro-Sul, mais precisamente no Estado de So Paulo, j que este

    principal produtor nacional.

    Figura 7 - Distribuio de energia solar em uma planta de cana-de-acar (PELLEGRINI, 2009)

    3.1 COLHEITA

    A colheita subdividida de acordo com a tcnica utilizada. Esta pode ser

    manual ou mecanizada.

    Na colheita manual, necessria a realizao da queimada prvia colheita,

    prtica condenada por ambientalistas por ser extremamente poluente e degradante

    para a fauna e flora local. Assim, a palhada separada e os colmos da cana-de-

    acar podem ser recolhidos atravs do corte manual. Porm, em termos

    energticos, a queimada provoca perdas de sacarose decorrentes do processo de

    exsudao (energia utilizada pela cultura na tentativa de sua recuperao)

    O processo de colheita mecanizada, alm de mais rpido, no apresenta o

    inconveniente decorrentes das queimadas, j que as palhas, antes consumidas pelo

    fogo, podem ser utilizadas como adubo ou complemento de combustveis orgnicos

    em um gerador de vapor. Porm, alguns entraves tecnolgicos, onde o mais grave

    que a tcnica s possvel em terrenos com declividade inferior a 12%.

    Assim que extrada, seu transporte at a usina deve ser realizado o quanto

    antes a fim de evitar perdas de sacarose. Este procedimento realizado por

    caminhes ou carretas.

  • 18

    3.2 LAVAGEM

    Ao chegar usina, amostras so coletadas para o fornecimento dos

    parmetros que implicam no desempenho do processo de converso em acar e

    em lcool, como por exemplo, o teor de sacarose na colheita. tambm atravs

    deste parmetro que realizado o pagamento para o agricultor terceirizado.

    Em seguida ocorre a lavagem com a inteno de eliminar resduos

    indesejveis, como terra, pedras e restos de pontas e folhas. Nesta etapa o

    consumo de gua em mdia 5 m/ton (CAMARGO, 1990 apud PELLEGRINI,

    2009).

    3.3 PREPARO

    O preparo tem como objetivo desintegrar a cana-de-acar de modo a facilitar

    e otimizar o processo de extrao. Esta etapa fundamental devido existncia de

    certa volatilidade na resistncia recuperao da sacarose durante a extrao.

    definido um parmetro de eficincia de preparao, que se situa em 90% para

    extrao em moendas e 94% para extrao por difuso (PAYNE, 1989 apud

    PELLEGRINI, 2009).

    Facas rotativas seguidas de desfibradores so responsveis pelo preparo da

    cana-de-acar. Enquanto as facas tm como objetivo a uniformizao e picagem a

    dimenses reduzidas de cana-de-acar, aumentando assim sua densidade, os

    desfibradores so responsveis pela compactao atravs de martelos oscilantes

    girando em sentido contrrio a esteira, promovendo sua passagem por pequenas

    aberturas.

    O acionamento destes componentes realizado por motores eltricos ou por

    turbinas a vapor, geralmente de estgio simples ou trs estgios e com rendimentos

    isoentrpicos inferiores a 60%. O consumo energtico no preparo da ordem de 5,2

    kWh/ton para moendas e 6,5 kWh/ton para difuso.

    3.4 EXTRAO

    O processo de extrao a separao do que dito caldo (soluo aquosa

    de slidos dissolvidos) das fibras. Sua finalidade recuperar a mxima quantidade

  • 19

    de caldo possvel do bagao. Pode ser realizada em escala industrial atravs de

    moagem ou difuso.

    3.4.1 MOAGEM

    A moagem um processo puramente mecnico realizado atravs da

    passagem da cana-de-acar por rolos, um fixo e um que regula hidraulicamente

    sua posio e, portanto, a abertura entre os rolos. Os rolos so separados em ternos

    (quantidade de trs) e divididos em setores com aberturas pr-determinadas. Em

    geral a moenda composta por 4 a 7 ternos, onde o bagao normalmente

    embebido em gua entre os ternos para diluir o caldo remanescente no bagao,

    aumentando assim a extrao de sacarose para os ternos subseqentes

    (COPERSUCAR, 2009).

    valido ressaltar que o processo de embebio do bagao fundamental, j

    que um dos objetivos, mesmo que secundrio, do processo de moagem a

    produo de um bagao final em condies de propiciar uma queima rpida nas

    caldeiras em plantas de utilidade padro. Assim, o ltimo bagao (denominao

    dada ao bagao aps passar pelo ltimo terno) retirado com umidade em torno de

    50% e eficincia na extrao variando de 92 a 96%.

    Em termos energticos, a quantidade de energia necessria para o

    acionamento dos ternos da ordem de 9,2 kWh/ton. perfazendo um total de 14,4

    kWh/ton tambm incluindo a preparao. Em termos exergticos, a quantidade de

    exergia destruda no processo da ordem de 14,4 kWh/ton. Seu acionamento pode

    ser realizado por motores eltricos ou por turbinas a vapor.

    3.4.2 DIFUSO

    A difuso a separao do caldo das fibras por dois processos distintos,

    porm complementares. No processo de lixiviao, ocorre o arraste de parte do

    caldo e no processo fsico-qumico ocorre a difuso celular decorrente de diferena

    de presso osmtica entre a regio interna e externa das clulas.

    A remoo de gua ou desaguamento do bagao aps a etapa de difuso

    realizada atravs de rolos, como no processo de moagem, com a necessidade de

    manter a gua de embebio e o caldo de retorno a temperaturas prximas de 80C,

  • 20

    temperatura esta que minimiza o desenvolvimento de microorganismos. Assim

    possvel obter o bagao com mesmo teor de sada em 50%, porm com eficincias

    na extrao de at 99%.

    Em termos energticos, a quantidade de energia necessria para essa etapa

    da ordem de 3,5 kWh/ton (NETO, 2008 apud PELLEGRINI, 2009). Considerando a

    difuso e a retirada do caldo pelo rolo desaguador, perfaz um total de 9,9 kWh/ton,

    tambm incluindo a preparao. Em termos exergticos, a quantidade de exergia

    destruda no processo varia entre 18,7 e 24,6 kWh/ton. Isso revela que o maior

    rendimento de extrao custa de maior parcela de exergia destruda. Seu

    acionamento pode ser realizado por motores eltricos ou por turbinas a vapor.

    Porm, como necessrio a manuteno da temperatura da gua de

    embebio e do caldo de retorno a valores prximos de 80 C, existe um consumo

    energtico adicional. Para isso, pode-se utilizar de vapor de baixa presso retirado

    em um dos estgios de uma turbina a vapor. O consumo estimado de vapor da

    ordem de 60 a 100 kg/ton, o que representa um consumo energtico de 36,7 e 61,1

    kWh/ton, respectivamente (NETO, 2008 apud PELLEGRINI, 2009).

    Assim, a diferena de quase 32% a favor da difuso como menor consumo

    energtico no verificada quando se considera a energia necessria parcela de

    vapor de baixa presso desviada para manuteno da temperatura de no

    proliferao de microorganismos. Deve-se ponderar na deciso de um ou outro

    processo de extrao do caldo de acordo com os impactos energticos e

    exergticos que estas etapas representaro na usina inteira e no s pontualmente.

    3.5 TRATAMENTO DO CALDO

    3.5.1 CLARIFICAO

    O processo de clarificao tem como objetivos principais:

    Elevao do pH a valores em que as perdas de sacarose em etapas

    subseqentes sejam minimizadas

    Remoo de material insolvel indesejvel

  • 21

    Remoo de material dissolvido no caldo indesejvel

    Inicialmente separa-se o material insolvel em suspenso por peneiramento

    ou atravs de um circuito de tratamento mais complexo com caixa de areia, parafuso

    classificador e gradeamento grosseiro e fino, retirando assim resduos de terra,

    pedaos de cana e bagacilhos remanescentes das etapas anteriores.

    Em seguida ocorre a alcalinizao do caldo atravs da adio de leite de cal,

    nome comercial dado a mistura de cal virgem (CaO) com gua, resultando no

    composto qumico hidrxido de clcio (Ca(OH)2). Sua principal reao so com os

    fosfatos, resultando em fosfato de clcio (Ca3(PO4)2), um composto insolvel que ao

    ser precipitado pode ser retirado na etapa seguinte de decantao.

    usual tambm o caldo sofrer um processo conhecido como sulfitao, que

    nada mais do que a exposio do caldo a anidrido sulfuroso (SO2) em colunas de

    absoro, tendo como resultado a reduo de seu pH, melhora da qualidade e

    aparncia final do acar e facilidade nas etapas mais adiante de evaporao e

    cozimento. O consumo mdio de enxofre pode ser estimado em 150 g/saco de 50 kg

    de acar.

    Ocorre tambm um tratamento trmico do caldo para diversas finalidades, a

    saber: eliminao de microorganismos por esterilizao, facilitao das reaes

    qumicas e o deslocamento do equilbrio qumico a favor dos produtos, floculao de

    impurezas antes dissolvidas a temperatura ambiente, remoo de gases dissolvidos

    na mistura. Este aquecimento realizado normalmente em duas etapas, com faixas

    de temperaturas distintas, onde a primeira, realizada em temperaturas at 70C,

    para facilitao dos efeitos da adio dos agentes qumicos e a segunda, realizada

    em temperaturas at 105C, para remoo dos gases antes dissolvidos.

    Nas usinas brasileiras, comum utilizar vapores do 1 e 2 efeitos apenas,

    enquanto em usinas de beterraba vapores de praticamente todos os efeitos so

    utilizados.

    A etapa seguinte a da remoo dos slidos precipitados nas etapas

    anteriores nos decantadores e a recirculao do lodo do processo em adensadores.

    Em seguida, o lodo concentrado submetido ao processo de filtrao, onde

  • 22

    normalmente so utilizados filtros rotativos vcuo, cuja a inteno a recuperao

    do caldo contido no lodo. Este filtro rotativo consiste de um tambor circundado por

    telas perfuradas onde sua regio inferior esta imersa no lodo. O cilindro perfurado

    e recoberto com um elemento filtrante e, atravs desses furos, faz-se vcuo, de

    modo que o lquido tende a ir para a parte interna do tambor. Concomitantemente, o

    slido vai ficando retido na parte externa do elemento filtrante e forma a torta, que

    separada no final de uma revoluo do cilindro, por meio de um raspador.

    Velocidades tpicas de filtros para este tipo de indstria se situam na regio de 1 a

    10 rpm (REVISTA MEIO FILTRANTE, 2009). prtica comum adicionar bagacilho,

    aumentando a porosidade do lodo, j que ao sair do adensador, este tem uma

    consistncia gelatinosa prejudicial a filtrao.

    3.6 PRODUO DO AUCAR

    Para a produo do acar, so necessrias etapas de concentrao e

    eliminao de gua e a formao dos cristais de acar.

    O parmetro de controle nessa etapa conhecido como Brix (Bx) e

    representa a quantidade de slidos solveis em uma soluo de sacarose. Quanto

    maior o ndice, mais concentrada ser a soluo.

    Em seguida a clarificao, segue a primeira etapa de concentrao do caldo,

    a evaporao. Sua funo elevar um caldo com 14 a 17Bx at uma soluo com

    concentrao de 60 a 70Bx, conhecida como xarope (CAMARGO, 1990). Este

    processo o principal consumidor de vapor de escape das turbinas de uma usina

    sucroalcooleira.

    De maneira geral, comum o uso em usinas nacionais de evaporadores de

    mltiplos efeitos em correntes paralelas, ou seja, o caldo segue no mesmo sentido

    do vapor do primeiro at o ltimo efeito do evaporador. Normalmente os

    evaporadores so de 5 efeitos, simplesmente chamado de caixas.

    O primeiro efeito alimentado com caldo a aproximadamente 115C e 12-

    15Bx, e vapor de escape saturado a 2,5 bar. O condensado do vapor de escape

    retorna para a planta de utilidades e o caldo concentrado segue para a prxima

    caixa. O vapor contido no caldo, dito vapor vegetal, segue de forma parcial, j que

  • 23

    existe a possibilidade de sua retirada em qualquer um dos efeitos, ou integral at o

    5 efeito, pois podem ser utilizados nos mais diversos processos de aquecimento do

    processo produtivo. J o condensado remanescente passa por um tratamento e

    depois utilizado na fbrica como gua de lavagem e/ou enviado para a extrao

    como gua de embebio. Por fim, o caldo concentrado a 65-70Bx na sada do

    ltimo efeito chamado de Xarope, onde sua elevada viscosidade impede sua

    concentrao a maiores valores da forma que era realizado nos evaporadores.

    Assim, necessrio o uso de cristalizadores para a etapa final da produo

    do acar. Esses componentes, conhecidos como cozedores ou tachos tm seu

    funcionamento semelhante s caixas dos evaporadores, com a diferena que

    trabalham individualmente e sob vcuo. A evaporao da gua d origem

    formao de cristais envolvidos em uma soluo aucarada, que tem seu nome

    caracterizado por massa cozida.,Esta , ento, enviada s centrfugas responsveis

    pela separao dos cristais de sacarose do restante da soluo. A soluo

    aucarada restante, conhecida como mel recirculada pelos cristalizadores para

    recuperao do acar dissolvido ainda presente at a formao de um composto

    bastante espesso denominado melao, ento direcionado para a produo do lcool.

    Os cristais separados tm elevada umidade e devem passar por secadores antes de

    ser realizado o ensacamento.

    3.7 PRODUO DO LCOOL

    O processo de aquecimento do caldo para a produo de lcool o mesmo

    utilizado no acar, porm o tratamento se difere quanto adio dos componentes

    qumicos para a correo do pH. O melao proveniente da do processo produtivo do

    acar ento unido ao caldo clarificado, formando uma mistura denominada

    mosto. Essa mistura enviada para estruturas chamadas de dornas onde sofrero o

    processo de fermentao alcolica, que nas usinas nacionais principalmente

    representado pelo processo de fermentao Melle-Boinot.

    Nas dornas, o mosto transformado em uma espcie de vinho, onde o etanol

    seu principal componente, em reaes de grande produo de dixido de carbono

    (CO2) e de alguns outros compostos como alcois superiores, aldedos e glicerol.

    Como a temperatura da dorna deve ser controlada em uma faixa de 32-35C e a

  • 24

    fermentao fortemente exotrmica, so instaladas no seu interior serpentinas

    para a circulao de gua para promover o resfriamento. O rendimento

    estequiomtrico da fermentao de cerca de 91% e o vinho produzido tem teor

    alcolico de 9GL.

    O vinho ento enviado para centrfugas para recuperao do fermento,

    chamado de leite de levedura, que ento retorna para o tratamento e reutilizao. O

    vinho segue para colunas de destilao fracionada, cuja finalidade separar os

    componentes atravs de seus diferentes pontos de ebulio e retirar ao final da

    separao o lcool hidratado ou etanol.

    A energia necessria para operao dessas colunas fornecida por vapor de

    baixa presso atravs da troca direta (borbotagem) ou indireta (uso de refervedor).

    As quantidades de vinhaa e flegmaa formada variam entre 9 e 15 L/L de lcool

    (flegamaa + vinhaa), dependendo do tipo da troca com o vapor.

    A fim de se obter lcool anidro, ainda necessrio desidratar o lcool

    hidratado, seja atravs de uma coluna operando com ciclohexano (destilao

    extrativa) ou em peneiras moleculares.

    A concentrao final do lcool anidro atinge 99,7GL. Esses sistemas

    necessitam de vapor de baixa presso (ciclohexano) ou vapor de mdia presso

    (peneira molecular).

    O consumo de vapor na produo de lcool diminuiu sensivelmente desde o

    incio da dcada de 80 at os dias atuais. No incio do Prolcool, para produo de

    1L de lcool hidratado eram necessrios 3,7 kg de vapor, para o lcool anidro esse

    consumo era de 4,5 kg/L. Atualmente, esses valores caram para 2-3 kg/L para o

    lcool hidratado e 2,7-4 kg/L para o lcool anidro. Tecnologias mais modernas

    chegam a 1,6 kg/L para o hidratado e 1,8 para o anidro, valendo-se da destilao em

    mltiplos-efeitos (SEEMANN, 2003 apud PELLEGRINI, 2009)

  • 25

    4 ALCOOL CELULSICO

    Os biocombustveis celulsicos podem ser produzidos da lignocelulose

    extradas de diferentes tipos de biomassa, como palha de milho, lascas de madeira,

    capim, bagao de cana e algas. Ele produzido a partir dos polissacardeos da

    parede celular vegetal.

    A maioria dos autores refere-se aos biocombustveis celulsicos como de

    segunda gerao, mas essa definio se torna cada vez mais ampla, onde j se fala

    em combustveis de terceira e at quarta gerao (BUCKERIDGE, DOS SANTOS, &

    SOUZA)(Figura 8).

    De maneira geral os processos podem ser divididos em bioqumicos,

    representado pela hidrlise e o termoqumico, representando pelo processo de

    gaseificao do bagao. O foco do trabalho ser nos processos que produzem o

    lcool celulsico a partir da hidrlise.

    A produo de etanol a partir da cana-de-acar ocorre, atualmente, pela

    fermentao alcolica da sacarose, e conhecido como etanol de primeira gerao.

    Dessa forma, a segunda gerao seria a produo de etanol a partir de acares

    produzidos pela hidrlise qumica do bagao. A terceira compreende a produo de

    acares a partir da parede celular, usando enzimas de microorganismos, em um

    processo conhecido como hidrlise enzimtica. A quarta gerao compreenderia

    uma integrao de todas as geraes, mas com variedades de cana modificadas

    geneticamente e capazes de realizar modificaes na parede celular que tornariam

    mais eficiente o processo da terceira gerao, em um processo de auto-hidrlise.

    O processo da hidrlise qumica utiliza solventes cidos ou bsicos para

    afrouxar e quebrar os polmeros da parede celular vegetal liberando mono e

    oligossacardeos fermentveis.

    Porm, alm dos custos dos produtos qumicos empregados, poder haver a

    produo colateral de resduos qumicos. Espera-se que a combinao de

    processos biolgicos na hidrlise render um processo ainda mais eficiente. E, por

    ser um processo que demanda uma maior complexidade de estudos e tecnologia

    para ser disponibilizado, denomina-se este processo de etanol de terceira gerao.

  • 26

    O maior gargalo neste processo a produo em escala comercial de enzimas

    hidrolticas e microorganismos selecionados e/ou modificados para essa finalidade.

    Para tanto, possvel que com o desenvolvimento da engenharia gentica, a

    prpria planta poder ser modificada geneticamente para produzir as enzimas

    necessrias digesto de sua prpria parede celular, minimizando ainda mais os

    custos da produo. Este seria o etanol de quarta gerao.

    Figura 8 - Rotas para produo do lcool celulsico (BUCKERIDGE, DOS SANTOS, & SOUZA)

    4.1 A CELULOSE

    A celulose, principal componente da biomassa, o polmero mais abundante

    da Terra. Ele formado por uma cadeia linear de molculas de glicose ligadas entre

    si que guardam energia livre e podem ser quebradas para liberar acares

    fermentveis. Entretanto, a celulose muito bem protegida pelas plantas, a fim de

    que no sejam facilmente utilizadas por predadores. Por esse motivo, o rendimento

    lquido da converso da celulose em glicose livre e, a seguir, em etanol ainda

    desfavorvel, com as tecnologias disponveis. O desenvolvimento de tecnologias

    capazes de desmontar a parede celular vegetal requer o aprofundamento do

    conhecimento sobre a fisiologia e estrutura da parede celular tanto da prpria cana

    de acar como de outros sistemas. Alm disso, o estudo de processos enzimticos

    de microorganismos que naturalmente j se alimentam da parede celular e, portanto,

  • 27

    j possuem enzimas especficas para tal finalidade, podem auxiliar na utilizao da

    energia disponvel nestes polissacardeos.

    Atualmente, a converso de material lignocelulsico, ou biomassa, em

    acares fermentveis para produo de etanol vem sendo considerada como uma

    alternativa promissora para aumentar a produo de etanol necessria para atender

    demanda mundial. A lignocelulose o nome dado a um conjunto de trs polmeros

    que so: celulose, hemicelulose e lignina.

    Alm dos mtodos de hidrlise da parede, o avano no conhecimento sobre a

    fisiologia de plantas utilizadas para a produo de etanol, o emprego de ferramentas

    de engenharia gentica e industrial devero desempenhar importantes papis no

    aumento da produtividade do etanol, independentemente da gerao.

    4.1.1 PAREDE CELULAR DA CANA-DE-ACAR

    Toda clula vegetal possui parede celular. Ela determina o tamanho e a forma

    da clula, confere resistncia mecnica e proteo contra o ataque de predadores e

    patgenos, promove a adeso entre as clulas, delimita o tamanho e propriedades

    qumico-fsicas das molculas que tm acesso ao interior da clula, controla o nvel

    de umidade e ainda pode funcionar como reserva.

    A parede celular composta por uma mistura de polissacardeos, protenas,

    compostos fenlicos e sais minerais. Os polissacardeos representam cerca de 90%

    do peso seco da parede e consistem em celulose, que compe de 20-40% da

    parede celular, hemiceluloses (15-25%) e pectinas (~30%). Essa matriz altamente

    ordenada e dinmica podendo tornar-se mais rgida ou mais frouxa conforme as

    necessidades ontognicas e comportamentais da clula ou da planta.

    Seis a oito molculas de celulose se alinham paralelamente para formar uma

    fibra onde ocorre a completa expulso das molculas de gua, tornando a

    microfibrila extremamente longa e resistente. Sobre a superfcie das microfibrilas,

    aderem-se as hemiceluloses (polmeros heterogneos que so classificados de

    acordo com a composio em monossacardeos) que cobrem a celulose formando o

    chamado domnio celulose-hemicelulose da parede celular. As hemiceluloses

    impedem que as molculas de celulose de fibras paralelas colapsem entre si, mas

  • 28

    tambm permitem a interao fraca entre uma fibra e outra, formando uma rede. O

    domnio celulose-hemicelulose fica imerso em um domnio formado por pectinas,

    que so acares altamente ramificados que dentre outras funes, determinam a

    porosidade da parede e sinalizam a presena de organismos patognicos e insetos.

    A cana-de-acar pertence a um grupo de plantas denominadas famlia

    Poaceae (gramneas), do qual tambm fazem parte o milho, sorgo, trigo e arroz.

    Espcies desta famlia apresentam uma arquitetura da parede tpica que as

    distingue dos outros grupos vegetais. A maioria das plantas possui o xiloglucano

    como principal hemicelulose. J as gramneas apresentam como principal

    hemicelulose os glucuronoarabinoxilanos (GAXs), embora tambm possua, em

    pequenas propores, xiloglucanos e mananos. Alm do GAXs, os -glucanos so

    relativamente abundantes em todos os tecidos de cana.

    Quando examinadas ao microscpio de fluorescncia, as paredes celulares

    de gramneas apresentam autofluorescncia. Este fenmeno se deve presena de

    resduos de cido ferlico esterificados aos resduos de arabinose que formam a

    ramificao da cadeia central que, por sua vez, composta por xilanos.

    4.2 ETANOL DE PRIMEIRA GERAO: FERMENTAO DA

    SACAROSE

    O processo atual de produo de etanol a partir da cana realizado pela

    extrao e fermentao do caldo. Antes do processo de fermentao, que ocorre por

    meio de linhagens selecionadas de leveduras Saccharomyces cereviseae, o caldo

    esterilizado e purificado. O lcool produzido ento separado da gua por

    destilao. Uma parte destes processos impulsionada pela energia obtida com a

    queima do bagao da cana que alimenta as caldeiras e gera eletricidade. Mesmo

    utilizando o bagao para a gerao de energia, a usina tpica possui um excesso de

    cerca de 10% da biomassa pode ser queimada e utilizada para produo de energia

    eltrica excedente.

    Com tcnicas mais eficientes de conservao da energia produzida pela

    queima do bagao esse excesso pode chegar a 45%. Alm disso, cerca de 40-50%

    da palha da cana que hoje mantida no campo pode ser recuperada e incorporada

  • 29

    biomassa. Esse excesso de biomassa juntamente com os 15% de fibras pode ser

    utilizada para produo de etanol celulsico, em uma rota alternativa gerao de

    energia excedente.

    4.3 ETANOL DE SEGUNDA GERAO: HIDRLISE CIDA

    No processo de obteno de etanol celulsico, o objetivo desmontar a

    parede celular para utilizar os polissacardeos como fonte de acares fermentveis.

    O processo bsico de hidrlise cida consiste em utilizar um cido forte para

    atacar as ligaes glicosdicas entre os monossacardeos de um polissacardeo. Os

    cidos, normalmente utilizados para a obteno de hidrlise em laboratrio, so

    cido sulfrico, cido clordrico e o cido trifluoroactico. H vantagens e

    desvantagens em relao a cada um. Enquanto os cidos sulfrico e clordrico

    discriminam pouco as ligaes glicosdicas de diferentes tipos, atacando celulose e

    hemiceluloses de forma similar, o cido trifluoroactico quebra preferencialmente as

    ligaes mais fracas, que so as ligaes do tipo alfa () presente nas ramificaes

    das hemiceluloses.

    No caso da parede celular de cana, os glucuronoarabinoxilanos possuem

    ramificaes de cido glucurnico e arabinose cujas ligaes so do tipo , e estas

    so as primeiras a serem quebradas. Posteriormente, so quebradas as ligaes .

    A celulose, por sua vez, a ltima a ser hidrolisada devido sua forte interao

    intermolecular, completa ausncia de gua na estrutura da microfibrila e tambm

    ao fato das fibrilas estarem cobertas pelas hemiceluloses. O problema em um

    processo de hidrlise de polissacardeos contendo ligaes e que como o

    tempo necessrio para hidrlise diferente, os monossacarideos liberados antes

    tendem a degradar. Este processo chamado de caramelizao (similar formao

    do caramelo durante a preparao de uma calda de acar). Se a degradao

    muito intensa formam-se furfurais que so compostos txicos para as leveduras que

    sero utilizadas na etapa de fermentao. Assim, ao hidrolisar uma mistura de

    celulose e hemiceluloses, a desconexo temporal das quebras das ligaes

    glicosdicas de cada tipo de polissacardeo torna-se um entrave para a produo de

    monossacardeos fermentveis.

  • 30

    Nos processos industriais, a hidrlise cida tem sido realizada com cido

    sulfrico (H2SO4). O fato de ainda no haver comercializao de etanol produzido a

    partir da hidrlise cida do bagao da cana est relacionado a dificuldades tcnicas

    e operacionais que resultam em um custo elevado do produto final, cerca de US$

    0,80 contra US$ 0,27 por litro de etanol obtido a partir da sacarose (Figura 9).

    Figura 9 - Custo por litro dos principais representantes (WORLDWATCH INSTITUTE, 2006)

    Parte deste custo se deve ao fato de que para que a hidrlise ocorra de forma

    eficiente necessrio aquecer o polissacardeo na soluo cida. A temperatura

    ideal para a quebra de hemiceluloses est entre 100 a 120 C e a concentrao

    ideal de cido sulfrico ao redor de 3%.

    Outra dificuldade advm da necessidade de neutralizao da soluo

    contendo os acares para que se possa proceder fermentao. Em geral, para a

    neutralizao, utiliza-se hidrxido de clcio (calcrio). No entanto, ao se proceder

    desse modo, o cido sulfrico convertido em sulfato de clcio e no pode ser

    reaproveitado (ALI, MARK, & DANIELS, 2006). Esse o principal fator que contribui

    para o alto custo da tcnica. Para se obterem nveis aceitveis de comercializao

    ser necessria a reduo dos custos associados principalmente ao consumo e

    reutilizao do cido e ainda a melhora na produtividade e eficincia na converso

    da biomassa (GOLDEMBERG, 2007).

    A fim de melhorar a perspectiva do uso da hidrlise cida em escala

    comercial, a empresa brasileira DEDINI Indstria de Base investiu em pesquisas

  • 31

    para tornar o processo mais rentvel e, atualmente, possui uma usina experimental

    que tem utilizado o prprio etanol em mistura com o cido sulfrico como solvente

    para a lignina. Isso permite reduzir a utilizao do cido e, portanto, reduzir

    valores mnimos a neutralizao e recuperar o solvente com boa eficincia. Outra

    proposta, feita por um grupo de cientistas chineses a substituio do processo de

    neutralizao por um processo de eletrodilise, que consiste na aplicao de um

    potencial eltrico entre dois compartimentos separados por uma membrana

    semipermevel carregada eletricamente. Este processo permitiria uma economia de

    at 55% no consumo do cido sulfrico (CHENG, et al., 2008).

    Os furfurais, que se formam naturalmente durante a hidrlise cida, poderiam

    ser aproveitados como matria prima na produo de solventes e resinas para

    fabricao de fibra de vidro e outros materiais plsticos. Sua comercializao pelas

    usinas poderia se tornar rentvel e contribuir para reduzir o custo do etanol

    celulsico (RODRIGUES & GUIRARDELLO, 2008)

    Em suma, o processo de hidrlise tem um timo potencial para produzir

    acares fermentveis a partir de biomassa vegetal e pode ser adaptado a

    diferentes casos. O desenvolvimento de tal tecnologia de extrema importncia

    tecnolgica, pois abre o caminho para que se utilizem enzimas e/ou se modifiquem a

    matria prima para obter rendimentos ainda maiores.

    4.4 ETANOL DE TERCEIRA GERAO: HIDRLISE ENZIMTICA

    As maiores expectativas para a viabilizao do etanol celulsico no longo

    prazo esto depositadas na possibilidade de utilizarmos a maquinaria bioqumica de

    microorganismos (fungos e bactrias) para desmontar a parede celular. O problema

    que, assim como os fungos desenvolveram estratgias para invadir a parede

    celular, as plantas tambm co-evoluiram para sofisticar seus mecanismos de defesa.

    Assim, embora haja fungos capazes de degradar a parede celular vegetal, ela

    bastante recalcitrante degradao. Uma das formas que as gramneas

    desenvolveram para resistir ao ataque enzimtico parece ser a formao de

    interligaes de cido ferlico entre suas hemiceluloses (DOS SANTOS, L.,

    NAKAMURA, MOURO, MANGOLIN, & FERRARESE-FILHO, 2008).

  • 32

    Em geral, a lignina, que bastante resistente ao ataque enzimtico, acumula-

    se apenas em certos tecidos especializados como fibras e clulas do tecido vascular

    das plantas (xilema). Entretanto, nas gramneas, pode-se dizer que as pontes

    formadas pelo cido ferlico realizam uma quasi-lignificao em toda a extenso da

    parede celular, mesmo em tecidos parenquimticos. Esse processo est relacionado

    cessao do crescimento celular e resulta em uma dificuldade adicional para os

    microorganismos dispostos a atacar a planta. Por sua vez, certos fungos

    desenvolveram feruloil-esterases que so enzimas aptas a separar os resduos

    fenlicos dos arabinoxilanos, tornando a parede mais susceptvel s xilanases

    (enzimas capazes de hidrolisar xilanos).

    Para chegar celulose, que o principal composto da parede celular, os

    fungos ainda precisam hidrolisar as outras hemiceluloses que recobrem as

    microfibrilas. Esta dificuldade semelhante quela dos cidos s diferentes

    camadas e diferentes ligaes glicosdicas. Por essa razo, fungos como os dos

    gneros Trichoderma e Penicillium produzem verdadeiros arsenais com mais de

    uma centena de glicosidases e dezenas de celulases, quitinases, proteases e

    lipases, entre outras hidrolases.

    Outro desafio que se impe obteno do etanol a partir da celulose o da

    fermentao de pentoses. As hemiceluloses so ricas em pentoses como xiloses e

    arabinoses. O Saccharomyces cereviseae, microorganismo usualmente empregado

    na produo de lcool a partir da sacarose, muito pouco eficiente na converso de

    pentoses. A presena de pentoses inibe a fermentao das hexoses. Uma

    perspectiva a utilizao de outras espcies de fungos, melhor adaptados s

    pentoses. Espcies como Pachysolen tannophilus so capazes de utilizar xilose e

    fermentam parcialmente outras pentoses depois de consumirem a glicose e a

    celobiose disponveis, que so seus alimentos preferidos (HINMAN, WRIGHT,

    HOAGLAND, & WYMAN, 1989).

    4.5 ETANOL DE QUARTA GERAO: A PLANTA AJUDANDO NA

    PRODUO DE ETANOL

    O que chama-se de etanol de quarta gerao ir integrar os processos de

    produo das demais geraes. Consistir em um conjunto de alteraes na prpria

  • 33

    planta de cana-de-acar (adaptvel tambm a outras espcies) que devero

    aumentar a eficincia dos processos de produo de etanol de segunda e terceira

    geraes.

    Alm de otimizar a produo do etanol atravs de modificaes na planta e

    microorganismos utilizados na degradao da celulose, uma alternativa que poder

    reduzir o custo da produo de enzimas a modificao da cana para expressar

    enzimas capazes de promover a digesto da parede celular.

    Outra possibilidade modificar o tipo de hemicelulose presente na parede e

    ativar a sntese dos polissacardeos, reduzindo a quantidade de lignina a fim de

    produzir a cana-energia que, como conseqncia da maior quantidade de

    polissacardeos, possuir mais energia conversvel em etanol. Essa planta poder

    ser usada para hidrlise com coquetis enzimticos de alta eficincia ou mesmo por

    fungos geneticamente modificados ou ainda por enzimas expressas pela prpria

    planta.

    Acredita-se que o etanol de quarta gerao se tornar vivel em cerca de 10

    anos, pela utilizao de modificaes genticas que alterem a parede celular e

    fisiologia da planta, de forma a prepar-la para melhor adaptao a diferentes

    condies como aquelas advindas das mudanas climticas globais.

    Para que esta quarta gerao de etanol seja realizada, metas como o

    seqenciamento completo do genoma da cana e alguns fungos-chave, a

    compreenso dos mecanismos de controle fisiolgico (hormnios, fatores de

    transcrio), bem como a compreenso da relao entre estrutura e eficincia de

    enzimas e substratos, devem se tornar linhas de pesquisa prioritrias.

  • 34

    5 ANLISE EXERGTICA E TERMOECONMICA

    O conceito de valor termodinmico real de um fluxo energtico est

    fortemente relacionado a grandeza exergia. A termoeconomia pode fornecer

    ferramentas para a soluo de problemas de sistemas energticos complexos os

    quais seria impossvel a resoluo com uma anlise energtica convencional, como

    por exemplo a atribuio racional de custos aos produtos de uma planta energtica.

    5.1 TERMOECONOMIA

    A anlise termoeconmica pode ser entendida como uma combinao entre a

    anlise exergtica e a anlise econmica, cujo objetivo valorar, atravs da

    atribuio de custos aos fluxos de exergia, a influncia das irreversibilidades

    termodinmicas dos processos e, portanto nos custos de produo. Assim, atravs

    de critrios fsicos relacionados as leis da termodinmica possvel calcular os

    custos de produo levando em conta a degradao da qualidade da energia

    disponvel. Seu princpio bsico assumir que no a energia, mas sim a exergia a

    nica base racional para atribuio de custos a fluxos energticos e que as perdas

    energticas representam parcelas de exergia destruda ou perdida (TSATSARONIS,

    1993).

    Porm, a metodologia para a determinao destes custos um grande

    desafio por si s. A determinao das equaes auxiliares para formao de um

    sistema possvel e determinvel o parmetro diferencial entre as diferentes

    propostas. Inmeras so as abordagens visando a reduo da arbitrariedade nos

    critrios de atribuio de custos de produo, mas um consenso ainda no foi

    alcanado sobre qual delas pode ser generalizada e aplicada a todo e qualquer

    processo de converso energtica.

    De uma maneira geral, as metodologias termoeconmicas podem ser

    divididas em dois grupos:

    Mtodos de custeio em base exergtica, calculando e atribuindo custos

    mdios aos produtos e subprodutos do processo e avaliando os

    equipamentos e sistemas visando a otimizao de maneira iterativa

    dos sistemas energticos.

  • 35

    Mtodos de otimizao, como por exemplo os baseados nos

    multiplicadores de Lagrange, calculando os custos marginais dos

    produtos.

    O trabalho ser direcionado a obteno e anlise dos parmetros com o

    mtodo de custeio em base exergtica.

    Uma anlise termoeconmica completa e bem detalhada aquela que

    contempla as seguintes etapas, de forma mais individualizada possvel

    (TSATSARONIS, 1993):

    Analise exergtica detalhada do sistema

    Anlise econmica detalhada dos equipamentos envolvidos

    Custeio exergtico

    Avaliao exergoeconmica de cada equipamento do sistema

    Um custo atribudo a cada fluxo mssico ou energtico envolvido no sistema

    estudado. O resultado representa o custo total necessrio para a obteno deste

    sistema.

    Porm a anlise termoeconmica pode se tornar extremamente mais

    complexa se anlise for expandida a critrios como por exemplo a incorporao de

    custos ambientais usando ndices e taxas exergticas, mas essa novamente no a

    inteno do trabalho.

    Para determinao dos custos em base exergtica, optou-se pela utilizao

    do Mtodo da Igualdade para fazer a alocao dos custos em volumes de controle

    com mais de um produto, alm da atribuio de custo nulo para os fluxos de exergia

    perdida que saem do sistema e custo unitrio para fluxos de exergia de entrada.

    A seguir sero definidas ferramentas desenvolvidas em algumas propostas j

    consolidadas na literatura. Esse ser o ponto de partida para a posterior anlise

    individualizada de cada etapa do processo produtivo do etanol, determinando seus

    fluxos de massa, energia, exergia e custos.

  • 36

    5.2 FERRAMENTAS DE CLCULO DOS PARMETROS DAS

    SOLUES, CANA-DE-ACAR E BAGAO

    5.2.1 SOLUES GUA-SACAROSE

    Ao longo do trabalho ser necessria a definio de propriedades tais como a

    entalpia e a entropia de misturas gua e sacarose. Na verdade, seria necessrio

    defini o comportamento de misturas tercirias envolvendo gua, sacarose e lcool,

    porm dado seu uso limitado em apenas um dos balanos realizado optou-se por

    determinar o comportamento mais relevante e de maior ocorrncia ao longo dos

    balanos, que apenas o da gua e sacarose.

    5.2.1.1 ENTALPIA E ENTROPIA ESPECFICAS

    De acordo com (PELLEGRINI, 2009) o comportamento da entalpia e entropia

    de tais solues dado pela seguinte relao:

    hSOL = 4,1868 0,0297. x + 4,6. 10\]. x. Pz TC + 3,75. 10\]. x. TC (21) sSOL = 4,1868 0,05018265. x + 4,6. 10\b. x. Pz. ln TeTREF+ 7,5. 10\]. x. Te TREF

    (22)

    Onde os parmetros que so responsveis pela variao das propriedades

    so a concentrao de sacarose na mistura, dada por x, e um parmetro de pureza,

    dado por Pz, que varia de acordo com a qualidade da sacarose. importante

    observar que enquanto a primeira equao est expressa em termos da temperatura

    em graus Celsius e a segunda em Kelvin.

    5.2.1.2 EXERGIA ESPECFICA A exergia da soluo foi calculada atravs da definio de exergia de uma

    substncia a uma temperatura T e presso p em referncia ao estado de equilbrio L< e g

  • 37

    bA\E = hA\ET, p hA\ET< , p

  • 38

    5.2.2.2 ENTROPIA ESPECFICA

    Assim como a entalpia, A entropia especfica de uma soluo pode ser

    calculada pela soma da entropia especfica de uma soluo ideal e um termo de

    mistura, chamado de entropia de excesso. Assim, para uma soluo gua-etanol:

    sA\E = vFMOLARHnO. sHnO + FMOLARETANOL. sETANOL+ R. xFMOLARHnO. lnFMOLARHnO + FMOLARETANOL. lnFMOLARETANOLyz + sE

    (26)

    Porm a parcela de mistura dada pela entropia de excesso requer a

    formulao e uso de equaes auxiliares como a da Energia Livre de Gibbs de

    Excesso e o clculo de coeficientes de atividade de cada parcela da mistura. A

    modelagem no entrar em tais nveis de profundidade, sendo desprezado tal efeito

    no clculo da entropia.

    5.2.3 BAGAO DA CANA-DE-ACAR

    Para o bagao da cana de acar necessrio avaliar sua exergia e sua

    entalpia de formao em funo do teor dos elementos que o compem aps a

    passagem da cana-de-acar pelos ternos.

    5.2.3.1 EXERGIA ESPECFICA

    A exergia especfica do bagao da cana-de-acar pode ser determinado em

    funo das caractersticas de sua composio e do seu poder calorfico inferior, PCI.

    bQUIBAGAO = . oPCIBAGAO + FMASSUMIDADE. hp + FMASSUMIDADE. bREFQUIHnO+ FMASSENXOFRE. xbREFQUIENXOFRE PCIENXOFREy + FMASSCINZAS. bREFQUICINZAS (27)

    Onde o valor de e do HHG so dados por: = 1,0412 + 0,216.

    HOOnHOO + 0,2499. HOOGnHOO . ?1 + 0,788. HOOnHOO A + 0,045. HOOnHOO1 0,3035. HOOGnHOO

    (28)

  • 39

    HHG = 17791 100. 42. HOOOH + 200,8. HOOHK (29) 5.2.3.2 ENTALPIA DE FORMAO

    Para o clculo da entalpia do bagao a ser utilizada na reao de combusto

    nas caldeiras foi utilizado a seguinte expresso:

    HHGG, = 100. o327,63. HOO + 1417,94. HOO+ 92,57. HOOO + 158,67. HOOHK (30)

    5.3 ANLISE EXERGTICA - USINA SUCROALCOOLEIRA

    TRADICIONAL

    5.3.1 ARRANJO DE COGERAO

    As usinas nacionais so, de modo geral, auto-suficientes na gerao de

    energia eltrica, mecnica e calor necessrios para os seus processos. Em uma

    usina tradicional, o bagao gerado no sistema de extrao enviado para planta de

    utilidades, onde queimado nas caldeiras. A viso do bagao como um resduo

    natural da produo de acar e lcool levou os produtores a utilizarem processos

    que consumissem todo o bagao, evitando gastos desnecessrios com o seu

    armazenamento e movimentao, alternativa que surgiu da necessidade de reduo

    de custos de produo. Assim, muitas vezes o bagao utilizado para satisfazer as

    demandas energticas e seu excesso, que em geral fica em torno de 20%,

    repassado, muitas vezes sem custo, queles que se disponibilizam em retir-lo na

    usina para fins como a utilizao como rao animal.

    O sistema de cogerao mais utilizado nas usinas baseado em caldeiras de

    gerao de vapor a 21 bar e turbinas de contrapresso de escape a 2,5 bar, que o

    nvel de presso normalmente utilizado para o vapor de processos. O vapor

    necessrio no processo expandido nas turbinas de acionamento das moendas. A

    energia eltrica necessria gerada em turbogeradores. Ainda, as bombas de gua

    de alimentao da caldeira e os turboexaustores tambm so acionados por turbinas

  • 40

    de simples estgio. Mesmo com a baixa eficincia das turbinas, dado o consumo de

    vapor elevado no processo, faz-se necessrio o uso de vlvulas de expanso.

    O esquema simplificado pode ser apresentado pelo fluxograma a seguir

    (Figura 10):

    Figura 10 - Fluxograma de uma usina tradicional

  • 41

    6 PROPOSTA PARA A ANLISE DE UMA USINA

    SUCROALCOOLEIRA TRADICIONAL COM GERAO DE

    LCOOL CELULSICO

    A proposta de avaliao de uma planta de utilidades com gerao de lcool

    celulsico a de utilizao do bagao para o processo de hidrlise. Ser avaliada

    atravs da anlise termo-economica a viabilidade desta forma produtiva, levantando

    custos de produo para a proposta de utilizao do bagao excedente e no

    utilizado para gerao de potncia mecnica, eltrica e calor de processo.

    As alteraes propostas esto demonstradas no fluxograma a seguir (Figura

    11):

    Figura 11 - Fluxograma da proposta de estudo com hidrlise

    Porm, antes de enunciar os processos que envolvem a hidrlise

    interessante entender seu potencial, as rotas disponveis