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