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APLICAÇÃO DO ALGORITMO HÍBRIDO

GASA NA OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO

DE HIDRÓLISE DO AMIDO DE

MANDIOCA PARA PRODUÇÃO DE

ÁLCOOL

Marco Antonio Campos Benvenga (UNINOVE )

[email protected]

Andre Felipe H. Librantz (UNINOVE )

[email protected]

Jose Carlos Curvelo Santana (UNINOVE )

[email protected]

Elias Basile Tambourgi (UNICAMP )

[email protected]

Este trabalho teve como objetivo a otimização do processo de hidrólise

do amido da mandioca para a produção de álcool, utilizando o

algoritmo híbrido GASA que une as técnicas algoritmo genético (AG) e

simulated annealing (SA). No problema proposto, a técnica GASA foi

aplicada para determinar os valores ótimos para as variáveis

envolvidas no processo da hidrólise: a concentração de amido, a

temperatura da reação e o tempo da reação. Após a implementação da

técnica obteve-se uma condição ótima para essa etapa, com os

seguintes valores para os fatores envolvidos: concentração de

23,375g/L de amido, tempo de reação de 110,46 min e temperatura de

61,82 ºC, resultando em um rendimento de 83,79%. Os resultados

obtidos apontam que o amido da mandioca pode ser uma boa

alternativa como matéria-prima para obtenção de álcool.

Palavras-chaves: hidrólise de amido, produção de álcool, modelagem,

simulação, otimização, GASA

XXXIV ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Engenharia de Produção, Infraestrutura e Desenvolvimento Sustentável: a Agenda Brasil+10

Curitiba, PR, Brasil, 07 a 10 de outubro de 2014.



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1. Introdução

Na área de SCM, é claro que o progresso tem sido feito em termos de incorporação de

modelos de impacto ambiental dentro de um estrutura de otimização multiobjectivo

(NIKOLOPOULOU & IERAPETRITOU, 2012). A mandioca ocupa o quinto lugar entre as

culturas na produção de amido global (JANSSON et al 2009).

O etanol é hoje em dia considerado como um exemplo bem sucedido de uma mudança global,

longe de fontes fósseis de energia. Entre os vários combustíveis alternativos, o etanol é um

dos mais adequados para motores à combustão (KOSTINA et al 2012).

Álcool e biodiesel são considerados opções energéticas importantes como substitutos de

combustíveis fósseis e, constituem um recurso renovável sem fim, como eles são produzidos a

partir de biomassa, em geral, uma cultura de exploração agrícola. A crença atual é de que a

substituição de combustíveis fósseis com o álcool pode reduzir as emissões dos gases com

efeito de estufa (GIRAÇOL et al., 2011; OMETTO & ROMA, 2010; PEREIRA &

ORTEGA, 2010).

Nesse contexto, a agricultura energética desponta, no cenário mundial, como uma grande

oportunidade para promover profundas mudanças no agronegócio brasileiro. O Brasil possui a

maior extensão de terra do mundo que ainda pode ser incorporada ao processo produtivo,

além de extensas áreas que já foram desmatadas e que hoje se encontram em diferentes

estágios de degradação. A atual matriz energética mundial compõe-se, principalmente, de

fontes não renováveis de carbono fóssil, como petróleo (35%), carvão (23%) e gás natural

(21%) (PERES et al., 2005).

Uma alternativa à substituição desta matéria prima é o uso de xaropes obtido a partir da

hidrólise de amido. O emprego do amido para produção de álcool pode levar o

desenvolvimento agroindustrial a várias regiões brasileiras que têm tradição no cultivo de

amiláceos, principalmente o milho (Zea mays), o arroz (Oriza sativa), a mandioca (Manihot

spp) e outros (FERREIRA et al., 2005; LEONEL & CEREDA, 2000; MENEZES, 1980).

Assim, neste trabalho foi proposto a otimização do processo de hidrólise do amido, utilizando

a técnica metaheurística híbrida GASA a partir do modelo matemático já reportado pelos

autores anteriormente (BENVENGA et al, 2013).

2. Materiais e Métodos

2.1. Algoritmo híbrido GASA aplicado ao processo de Hidrólise

O GASA é uma técnica de otimização que aplica a computação evolucionária do AG

e, em seguida, a abordagem estocástica do SA (ZHANG et al, 2007).

A proposta de aplicação destas técnicas metaheurísticas no contexto deste trabalho

demonstra ser pertinente devido à importância do tema e, dos vários benefícios advindos da

possível adoção do álcool de mandioca como alternativa ao álcool de cana-de-açúcar.



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2.2. Procedimento GASA

A Figura 1 Zhang et al (2007), ilustra os passos principais da técnica de otimização

de processos por meio do algoritmo híbrido GASA.

O algoritmo híbrido GASA acontece em duas grandes etapas. Em primeiro lugar,

executa o Algoritmo Genético (AG) para gerar uma solução ótima ou sub-ótima do problema.

Em seguida, executa o processo do Simulated Annealing (SA) partindo da solução gerada pelo

AG.

Dentro da etapa do AG no GASA, os passos são iguais aos de um AG comum, ou

seja: a.1) define os parâmetros inicias, b.1) gera população, c.1) avalia a população, d.1) se a

melhor solução foi encontrada, então, passa-se a solução e o controle do algoritmo para o SA.

Senão, e.1) executa seleção, f.1) faz o cruzamento, h.1),faz a mutação e retorna ao passo (b.1).

Na etapa do SA no GASA, os passos também são iguais aos de um SA comum, com

exceção à primeira solução gerada que, ao invés de ser aleatória, é fornecida pela AG.

Figura 1 – Fluxograma do GASA adaptado de Oysu e Bingul, (2009).

Nota-se que o algoritmo aplica a técnica do AG em primeiro lugar gerando uma

solução. Em seguida, é aplicada a técnica do SA na tentativa de melhorar esta solução.

2.3. Metodologia da otimização

No problema proposto, a técnica GASA foi aplicada para determinar os valores das três

variáveis envolvidas no processo da hidrólise do amido de mandioca com o objetivo de

otimizar o rendimento da hidrólise(Equação 1). São a seguintes variáveis: C (Amido g/L)

(concentração do amido), T (°C) (Temperatura da reação) e t (min) (Tempo da reação).

(1)

2.4. Parâmetros do GASA

TtCtCTtTCtTCY 61,298,236,034,567,351,050,1123,825,107,44% 222



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Os domínios de restrições para os valores das variáveis C (concentração), T (temperatura) e t

(tempo) são respectivamente os seguintes: C [6,59 a 23,375], T [28,18 a 61,82] e t [9,54

a 110,46].

Para processar as simulações o algoritmo foi calibrado com os parâmetros do AG e do SA

com os seguintes valores exibidos na Tabela 1.

Tabela 1 – Calibração dos parâmetros utilizados pelo GASA.

Técnica Parâmetro Melhor

Desempenho

AG Número de gerações 10

AG Tamanho da população 100

AG Taxa de Mutação 4%

AG Taxa de Elitismo 40%

AG Esquema de Cruzamento. 3 pontos aleatórios

SA Temperatura Inicial 10.000

3. Resultados e Discussão

Análise do desempenho do GASA com a variação do parâmetro Temperatura Inicial do

SA.

A Figura 2 ilustra o desempenho do GASA com a variação do valor do parâmetro

Temperatura Inicial do SA. Conforme mostra o gráfico, o melhor desempenho ocorreu com

um número de 10.000 ciclos.

Esta configuração foi definida após vários experimentos, considerando diferentes

valores para o parâmetro Temperatura Inicial (Tabela 2).

Tabela 2 – Resultados da Calibração do GASA.

Ensaio Temp.Inicial

(SA)

Resultados / Média em 300 ensaios

Concentração Temperatura Tempo Y%Hidrólise

(g/L) (°C) (min)

1 1000 22,420 61,71 107,89 82,87

2 10000 22,717 61,74 108,53 83,17

3 5000 22,615 61,72 108,69 83,12

4 2500 22,624 61,71 108,40 83,05

5 1250 22,562 61,72 108,21 82,98

6 1900 22,381 61,72 108,01 82,91

7 2200 22,615 61,71 108,54 83,05

8 2050 22,438 61,70 108,04 82,89

9 2125 22,565 61,72 108,06 82,99

10 2125 22,628 61,72 108,42 83,05

11 2125 22,624 61,71 108,27 83,00

12 2150 22,479 61,72 108,48 83,00

13 2150 22,585 61,73 107,92 82,98

14 2200 22,580 61,70 108,36 82,99

15 2200 22,569 61,71 108,52 83,02

16 2200 22,509 61,71 107,97 82,92



5

Os demais parâmetros pertencentes ao AG foram fixados nos seguintes valores

respectivamente: População Inicial com 400 indivíduos, Tamanho das demais populações

com 100 indivíduos, Número de Gerações com 10, taxa de Elitismo com 40%, Taxa de

Mutação com 4% e Esquema de Cruzamento com 3 pontos de corte aleatórios.

Na Tabela 2 são listadas as médias dos resultados obtidos após 300 ensaios realizados

para cada valor testado do parâmetro Temperatura Inicial na calibração do algoritmo híbrido

GASA.

Na Figura 2 são apresentadas as curvas da média dos ensaios de calibração do GASA.

Figura 2 – Resultados da calibração do GASA.

Verifica-se na Figura 2 que, a variação do rendimento médio da hidrólise tende a variar com o

valor do parâmetro Temperatura Inicial do SA, porém, não na mesma proporção.

3.1. Avaliação do modelo da hidrólise

A Figura 3 apresenta o resultado da avaliação do ajuste do modelo empírico utilizado

(Equação 1) aos dados experimentais. Para que um modelo possa ser estatisticamente

significativo é necessário que Fcalc (5,5) > Ftab (5,5) e para que ele esteja ajustado aos dados

experimentais é necessário que Fcalc (3,2) < Ftab (3,2) e ao coeficiente de correlação deve estar se

aproximando de 1,0. Sendo assim, o modelo é preditivo e pode ser usado para descrever

significativamente os dados experimentais.

A título de ilustração, a Figura 3 mostra a aderência da curva dos dados gerados pelo

modelo em relação aos dados experimentais da hidrólise do amido de mandioca.



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Figura 3 – Ajuste do modelo matemático aos dados experimentais.

Com a avaliação e validação, por meio do método de análise de variância, de que o

modelo é preditivo, passa-se então ao processo de otimização, por meio da técnica

metaheurística do algoritmo híbrido GASA.

3.2. Resultados obtidos com a otimização pelo GASA

Os dados otimizados para o processo de hidrólise foram obtidos de 300 ensaios

gerados pelo GASA e mostrados na Figura 4.



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Figura 4 – Resultados obtidos com 300 ensaios do GASA.

Após 300 ensaios, obteve-se o melhor rendimento da hidrólise a 83,79%, com as

variáveis, concentração, temperatura e tempo com os seguintes valores respectivamente:

23,375, 61,82 e 110,46. O valor médio obtido nos ensaios para o rendimento da hidrólise foi

de 82,83%.

3.3. Estimação de custos

Uma planta da produção de álcool pela cana de açúcar está exibida no fluxograma mostrado

na Figura 8. Nesta figura é mostrada uma planta convencional (Fig.8.a) para se obter o álcool

pelo açúcar de cana e a planta adaptada (Fig.8.b) para se obter o álcool pelas raízes de

mandioca, proposto neste trabalho.

A Fermentação de xarope de mandioca é feita no caldo pelo mesmo tanque de

fermentação da cana de açúcar, isto é, o xarope é misturado com o caldo de cana de açúcar na

fermentação. De acordo com Garcia e Sperling (2010), na fase industrial, não foi observado o

uso de combustíveis, uma vez que a energia elétrica é gerada pela queima do bagaço de cana

de açúcar.

Para Correia Neto e Ramon (2012), quase todo o açúcar de cana esmagada disponível

é consumida nas caldeiras para a geração de vapor, das quais se produz a quase totalidade da

energia mecânica, energia elétrica e térmica exigida pela indústria. São equilibradas a

disponibilidade de combustível, a energia e, utilidade calor requeridos.

Figure 8 – Fluxograma de uma planta de produção de álcool. a) Planta convencional para

cana-de-açúcar b) Planta adaptada para mandioca.



8

Como pode ser visto na Figura 8, para modificar a planta de industrialização de álcool de

açúcar de cana para processar mandioca também requer um investimento em um tanque de

lavagem com o misturador 15 m3 e um moinho de martelos. A Tabela 3 mostra o investimento

necessário para a aquisição destes dois dispositivos, considerando a vida útil e os custos de

manutenção e depreciação.

Tabela 3 – Investimento para a modificação da planta

Item Discriminação

Vida útil Tx. Manut.

(%)

Preço Depreciação Manutenção Custo

(anos) (R$) Anual (R$) (R$) Unitário

"(4%) (R$)

1 Tanque de

hidrólise 10 4 55.000,00a 5.500,00 220,00 5.720,00

2 Moinho de

martelos 10 4 12.000,00b 1.200,00 48,00 1.248,00

3 Misturador 10 4 20.000,00 2.000,00 80,00 2.080,00

TOTAL 87.000,00 9.048,00

Fontes: Máquina e Equipamentos (2011) e Máquinas Sigma (2011)

Também foi calculado o gasto relativo à matéria-prima baseada na produção de mandioca

para o ano de 2011 e o preço estimado em toneladas. Na Tabela 4 é mostrado o gasto

requerido de matéria-prima se toda a produção de mandioca para o ano de 2011 for absorvida

para a produção de álcool.

Tabela 4 – Gasto com matéria-prima (mandioca) em toneladas.

Ano Quantidade Preço(R$) Custo Total

2011 557300 260/ton. 144898000

Por último, fez-se uma estimativa de custo anual de mão-de-obra para operação do

equipamento extra-agregado à planta de industrialização do álcool.

Supondo que a planta opere 24 horas por dia, seria necessária a contratação de três

técnicos (operador de máquina) trabalhando cada um, em turnos de 8 horas. Também se

considerou a contratação de um auxiliar de manutenção.

A Tabela 5 apresenta os gastos necessários com encargos e salários referentes aos

quatro novos funcionários que seriam contratados para operação e manutenção dos

equipamentos extras.

Tabela 5 - Gastos com salários da mão-de-obra do setor de produção.

Discriminação Qtde. Sal./mês

unitário

Total

sal. /Ano

Encargos

/Ano

Custo Total

/Ano

Técnico (Operador de

máquina) 3 1425,00 51300,00 33088,56 84388,56

Auxiliar de Manutenção 1 1137,00 13644,00 13200,60 26844,60

TOTAL

111.233,16

Fonte: Guia Rh (2011) *Zanluca (2010) total de encargos financeiros = 96,75%



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Verifica-se na Tabela 5 que o custo anual estimado de mão-de-obra para operação e

manutenção dos equipamentos referentes ao processamento da mandioca na planta de

produção de álcool é de R$111.233,16.Considerando os gastos com investimento em

equipamento, consumo de matéria-prima e encargos e salários, se pode chegar ao valor total

estimado do custo de produção por litro de álcool e, também o custo total da planta. A Tabela

6 apresenta o custo de produção por quilo de mandioca e também o custo por litro de álcool

produzido considerando a matéria-prima, o investimento em equipamentos e os gastos com

encargos e salários.

Tabela 6 – Gastos com a matéria-prima (mandioca) por unidade.

Ano Material Quantidade Custo Unitário

2011

Mandioca (kg) 557.300.000 0,26 R$/kg

Álcool combustível

(L) 108.505.080,00 1,34R$/L

Verifica-se na Tabela 6 que, considerando o rendimento da hidrólise do amido de

mandioca de 83,79% obtido por meio da técnica GASA e, aplicando este valor de rendimento

ao cálculo da massa de álcool a ser produzido, pode-se obter um custo por litro do álcool de

mandioca de 1,34 reais. Também se pode estimar o custo anual total necessário para a

implantação da produção de álcool com matéria-prima de mandioca em uma planta de cana-

de-açúcar adaptada. A Tabela 7 apresenta discriminadamente, os custos de: equipamentos,

mão-de-obra e encargos e, matéria-prima para produção de álcool de mandioca em uma planta

de cana-de-açúcar adaptada.

Tabela 7 - Custo total da produção

item Discriminação Custo (R$)

1 Equipamentos 9.048,00

2 Mão-de-obra e encargos 111.233,16

3 Matéria-prima 144.898.000,00

Total 145.018.281,16

Verifica-se na Tabela 7 que o custo anual estimado para a produção de álcool de

mandioca, tendo como base a produção e preço da mandioca para o ano de 2011 é de

145.018.281,16 reais. Considerando o preço médio estimado da mandioca (Tabela 4) e a

produção da massa de álcool simulada com o rendimento da hidrólise obtido pela técnica

GASA pode-se simular o custo por litro do álcool de mandioca de 2002 a 2011. A Tabela 8

apresenta o custo por litro simulado do álcool de mandioca no período de 2002 a 2011.

Segundo Furtado e Scandiffio (2007), o álcool brasileiro é competitivo tanto com o petróleo

quanto com o álcool produzido a partir de outras biomassas.



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Tabela 8 - Simulação do custo por litro no período de 2002 a 2011.

Equipamentos 9.048,00

Mão-de-Obra 111.233,16

Ano

Prod.Mandioca Preços

Médios Custo / ton Custo:

Rendimento

/ m³ Custo

/ L /

Qtde.(Kg) (R$/Kg) Matéria-

prima Equip/Mão-

de-Obra/ GASA R$

Matéria-

prima

2002 664.000.000 0,05 33.200.000,00 33.320.281,16 129.279,33 0,26

2003 428.100.000 0,1 42.810.000,00 42.930.281,16 83.350,12 0,52

2004 410.130.000 0,26 106.633.800,00 106.754.081,16 79.851,40 1,34

2005 592.700.000 0,2 118.540.000,00 118.660.281,16 115.397,38 1,03

2006 595.050.000 0,09 53.554.500,00 53.674.781,16 115.854,92 0,46

2007 545.010.000 0,14 76.301.400,00 76.421.681,16 106.112,24 0,72

2008 565.110.000 0,17 96.068.700,00 96.188.981,16 110.025,67 0,87

2009 582.930.000 0,16 93.268.800,00 93.389.081,16 113.495,18 0,82

2010 542.200.000 0,2 108.440.000,00 108.560.281,16 105.565,14 1,03

2011 557.300.000 0,26 144.898.000,00 145.018.281,16 108.505,08 1,34

MÉDIA 0,84

O álcool anidro produzido no Centro-Sul do país com tecnologia avançada, ou seja, a

partir de colheita mecanizada e do uso de caldeiras de alta pressão, tem um custo de produção

de R$ 0,57 por litro na usina em 2005. Em Bastos (2007), o custo de produção do álcool de

cana-de-açúcar no Brasil é de US$ 0,72 / Galão. Considerando o valor do dólar à R$1,7 e,

convertendo a medida volumétrica de galão para litro obtivemos o seguinte custo em Reais:

R$ 0,28 / L.

4. Conclusão

No presente trabalho foi aplicada uma técnica de otimização no processo de hidrólise

do amido de mandioca com vistas a baixar os custos de produção de álcool. Após 300 ensaios

de simulação a técnica híbrida GASA obteve o valor otimizado para o rendimento da hidrólise

em 83,79% e, com os valores das variáveis, concentração, temperatura e tempo iguais a

23,375, 61,82 e 110,46, respectivamente. No que tange a análise do processo produtivo, com a

estimativa do balanço da massa e do custo de produção, simulou-se o custo unitário por litro

de álcool de mandioca para os anos de 2002 a 2011 a partir da otimização com o GASA e,

obteve-se um custo médio de R$0,84/L. Considerando o custo de produção do álcool de cana-

de-açúcar de R$0,28/L, este ainda é mais vantajoso. No entanto, o álcool de amido de

mandioca apresenta-se como uma alternativa para a produção de álcool à medida que seu

custo de produção for gradualmente diminuindo com a aplicação de técnicas de otimização e

com os avanços tecnológicos.



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5. Referências

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