CARACTERIZAÇÃO E VIABILIDADE ECONÔMICA DO BAGAÇO DE … · volatile materials and low content...

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE

ALIMENTOS

LUANA GOMES CORDEIRO

CARACTERIZAÇÃO E VIABILIDADE ECONÔMICA DO BAGAÇO DE

MALTE ORIUNDO DE CERVEJARIAS PARA FINS ENERGÉTICOS

João Pessoa – PB

2011


CARACTERIZAÇÃO E VIABILIDADE ECONÔMICA DO BAGAÇO DE

MALTE ORIUNDO DE CERVEJARIAS PARA FINS ENERGÉTICOS

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos

como exigência parcial à obtenção do título de

Mestre.

Linha de Pesquisa: Química e

Bioquímica de Alimentos.

Orientador: Prof. Dr. Ânoar Abbas El-Aouar

João Pessoa – PB

2011

C794c Cordeiro, Luana Gomes.

Caracterização e viabilidade econômica do bagaço de malte oriundo de cervejarias para fins energéticos / Luana Gomes Cordeiro.-- João Pessoa, 2011.

120f. Orientador: Ânoar Abbas El-Aouar Dissertação (Mestrado) – UFPB/CT 1. Tecnologia de Alimentos. 2. Bagaço de malte –

capacidade energética. 3. Poder calórico. 4. Subproduto cervejeiro. 5. Biomassa. 6. Cogeração de energia.

UFPB/BC CDU: 664(043)

UFPB/BC CDU: 346.1(043)

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA

PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS

CARACTERIZAÇÃO E VIABILIDADE ECONÔMICA DO BAGAÇO DE MALTE

ORIUNDO DE CERVEJARIAS PARA FINS ENERGÉTICOS


Dissertação julgada para obtenção do título de

mestre em Ciência e Tecnologia de Alimentos,

defendida em 12/09/2011 pela Comissão

Examinadora.

Banca Examinadora:

‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗

Prof. Dr. Ânoar Abbas El-Aouar

Orientador – UFPB

‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗

Prof. Dr. Heinz Johann Holschuh

Membro Interno – UFPB

‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗

Prof. Dr. Geraldo Dantas Silvestre Filho

Membro Externo - UFPB

v

Dedicatória

Dedico este trabalho aos meus pais

pelos ensinamentos, amor e dedicação que

me motivaram a chegar até aqui.

vi

Agradecimentos

Agradeço primeiramente a Deus, por me confortar, iluminar e me dar forças para

caminhar;

Agradeço a meus pais Marcos Cordeiro e Mª de Fátima e aos meus irmãos

Marquinhos e Anderson, pelo apoio, incentivo, amor e paciência durante o início

desta caminhada acadêmica até o presente momento;

Ao meu amado, Cassius Vinícius, pelas palavras de incentivo, pelo carinho, pelo

encorajamento nas horas difíceis e pela ajuda com o estudo da viabilidade;

Ao meu orientador Prof. Dr. Ânoar Abbas El-Aouar, pela dedicação, disposição,

cooperação e compreensão. Pessoa atenciosa e solicita, tendo sempre contribuindo

com suas observações e seu profissionalismo ao longo deste trabalho de pesquisa;

Aos professores Heinz Johann e Geraldo Dantas pela disponibilidade, sugestões,

enfim por toda a contribuição desde a qualificação até a defesa;

As minhas amigas Ana Isabel, Marta, Eva e Ana Roberta pelos momentos de alegria

e estímulo dados a mim durante essa jornada;

Aos amigos do mestrado: Claudia, Rennan, Ronaldo, Isis, Maristela, Ana Raquel e

Vagner;

Aos queridos Irlan Targino, Juliana Keilla, Hélio José e Clebson por toda ajuda e

amizade;

A professora Mabel que tenho grande respeito e admiração;

Ao Clovis Gouveia pelos esclarecimentos, contatos e ajuda nesse trabalho;

A equipe da Brassagem que me ajudou na coleta das amostras;

E enfim, a todos que contribuíram de forma direta e indireta para realização deste

trabalho.

MUITO OBRIGADA A TODOS!

vii

Epígrafe

"Nossas dúvidas são traidoras e nos fazem perder

o que, com freqüência, poderíamos ganhar, por

simples medo de arriscar." (William Shakespeare)

viii

Resumo

CORDEIRO, L. G. Caracterização e viabilidade econômica do bagaço de malte

oriundo de cervejarias para fins energéticos. João Pessoa, 2011. 120f.

Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Alimentos), Universidade Federal

da Paraíba.

Este trabalho teve como objetivo estudar a capacidade energética do bagaço

de malte oriundo de cervevf jarias em diferentes níveis de umidade para fins

energéticos, mediante caracterização e análise de viabilidade econômica. A coleta

da amostra foi feita em uma empresa situada na cidade de João Pessoa-PB. Foram

realizadas análises físico-químicas para determinação da composição centesimal,

onde foi constatado seu potencial de consumo tanto para ração animal como para

alimentação humana. A análise imediata apresentou elevados teores de materiais

voláteis e baixos teores de carbono fixo. As amostras foram caracterizadas de

acordo com a umidade, poder calorífico superior e densidade. Foram obtidas

umidades de (50%, 40%, 30%, 20% e 15%) e poder calorífico superior variando de

2.656 a 5.025 kcal.kg-1 para a maior e menor umidade respectivamente. Os modelos

de regressões propostos puderam expressar em mais de 98% a relação entre poder

calorífico superior e teor de umidade e mais de 92% a relação poder calorífico

superior e densidade. Com relação à viabilidade econômica, pode-se perceber que

todos os regimes de trabalho propostos para a nova configuração de trabalho das

caldeiras foram viáveis e o regime mais rentável apresentou uma redução de

49,98% nos custos com gás natural, ou seja, uma economia de R$ 3.900.842,00 por

ano. Pode-se verificar que o bagaço de malte é viável como fonte energética.

Palavras-chave: Poder Calorífico, Subproduto Cervejeiro, Biomassa, Cogeração de

Energia.

ix

Abstract

CORDEIRO, L. G. Characterization and economic viability of bagasse coming

from malt beer for energy purposes. João Pessoa, 2011. 120f. Dissertação

(Mestrado em Ciência e Tecnologia de Alimentos), Universidade Federal da Paraíba.

This work aimed to study the energy capacity of the cake originating from malt beer

at different moisture levels for energy, through description and analysis of economic

viability. Sample collection was made in a company located in the city of João

Pessoa-PB. Physical and chemical analysis were carried out to determine the

chemical composition, where it was found their consumption potential for both animal

feed and for human consumption. The immediate analysis showed high levels of

volatile materials and low content of fixed carbon. The samples were characterized

according to the humidity, higher calorific value and density. Moisture content were

obtained (50%, 40%, 30%, 20% and 15%) and gross calorific value ranging from

2656 to 5025 kcal.kg-1 for the highest and lowest humidity respectively. The proposed

regression model was able to express in more than 98% the relationship between

higher calorific value and moisture content, and more than 92% compared to gross

calorific value and density. With regard to economic feasibility, can be seen that all

schemes of work proposed for the new working configuration of boilers were viable

and the most profitable decreased by 49.98% in the cost of natural gas, that is, an

economy R$ 3,900,842.00 per year. You can check that the malt bagasse as an

energy source is feasible.

Keywords: Calorific Value, By-Brewer, Biomass, Energy Cogeneration.

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Cevada (Hordeum vulgare L.). .............................................................................. 21

Figura 2. Estrutura do grão de cevada. ................................................................................ 25

Figura 3. Variedade de cevada: (2r) duas fileiras e (6r) seis fileiras. .................................... 33

Figura 4. Cores dos maltes. ................................................................................................. 34

Figura 5. Fluxograma do processo de malteação (TELES, 2007). ....................................... 35

Figura 6. Geração de resíduos sólidos na produção de cerveja (UNEP, 1996). ................... 43

Figura 7. Geração de resíduos numa cervejaria de 106 hl cerveja por ano (EC, 2003). ....... 43

Figura 8. Fontes de Biomassas............................................................................................ 48

Figura 9. Percentagem de carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio (O) e azoto (N) em base

seca sem cinzas. .......................................................................................................... 50

Figura 10. Vista e corte de um calorímetro. ......................................................................... 55

Figura 11. Curva típica da variação da temperatura na determinação do PCS em

calorímetro. ................................................................................................................... 55

Figura 12. Teor de cinzas (bs) Vs poder calorífico superior de vários tipos de biomassa. .... 56

Figura 13. Fases de decomposição de uma partícula de biomassa (adaptação de Scala,

1997). ........................................................................................................................... 60

Figura 14. Calorímetro (CORDEIRO, 2011). ........................................................................ 65

Figura 15. Revestimento Isolante (CORDEIRO, 2011)......................................................... 65

Figura 16. Balde para imersão da bomba (CORDEIRO, 2011). ........................................... 66

Figura 17. A) Bomba de combustão de oxigênio ou bomba calorimétrica (PARR

INSTRUMENT COMPANY, 2011) e B) Divisão da bomba de combustão de oxigênio

(CORDEIRO, 2011). ..................................................................................................... 66

Figura 18. Cabeça da bomba calorimétrica (CORDEIRO, 2011).......................................... 66

Figura 19. A) Bomba Calorimétrica imersa em água com as conexões elétricas encaixadas

e B) Mecanismo de agitação mais termômetro (CORDEIRO, 2011). ............................ 67

Figura 20. Cilindro de oxigênio composto por dois manômetros, válvula de alívio e

acoplamento para carregar a bomba (CORDEIRO, 2011). ........................................... 67

Figura 21. A) Prensa de pellet (PARR INSTRUMENT COMPANY, 2011) e B) Amostra em

forma de pellet (CORDEIRO, 2011). ............................................................................. 68

Figura 22. A) Bagaço úmido para secagem e B) Estufa de secagem utilizada na pesquisa

(CORDEIRO, 2011). ..................................................................................................... 69

xi

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1. Poder calorífico superior em função do teor de umidade. .................................... 88

Gráfico 2. Poder calorífico superior em função da densidade. ............................................. 88

Gráfico 3. Volume de produção referente ao ano de 2009. .................................................. 92

Gráfico 4. Simulação do regime de trabalho 1 entre as caldeiras em funcionamento. ........ 100



Gráfico 7. Relação entre o consumo de GN (RT 1, RT 2 e RT 3) e o consumo de GN suprido

pela caldeira. .............................................................................................................. 101

Gráfico 8. Relação entre o consumo de biomassa (RT 1, RT 2 e RT 3) e a produção de

bagaço seco (BS) com 15% de umidade. ................................................................... 102









xii

LISTA DE QUADROS

Quadro 1. Área de produção de cevada e de exportação, 2005-06. .................................... 23

Quadro 2. Composição do Grão de Cevada. ....................................................................... 26

Quadro 3. Características Intrínsecas e Respectivos Teores Limítrofes. ............................. 32

Quadro 4. Poder calorífico inferior de alguns resíduos orgânicos. ....................................... 40

Quadro 5. Oferta de energia no Brasil e no mundo. ............................................................. 44

Quadro 6. Projeção da Oferta Interna de Energia – Brasil (em milhares de tep). ................. 45

Quadro 7. Estimativas do poder calorífico da biomassa. ...................................................... 54

Quadro 8. Análise Imediata (% base úmida) de amostras de biomassas. ............................ 58

Quadro 9. Análise Elementar de amostras de biomassas. ................................................... 59

Quadro 10. Poder calorífico superior (kcal.kg-1) de amostras de biomassas. ....................... 59

Quadro 11. Determinações físico-químicas e metodologias. ................................................ 63

Quadro 12. Tarifas aplicadas ao Estado da Paraíba. ........................................................... 74

Quadro 13. Calendário de referência. .................................................................................. 74

Quadro 14. Determinação físico-química de outros tipos de alimentos. ............................... 82

xiii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Regimes de trabalhos propostos. ......................................................................... 77

Tabela 2. Composição físico-química do bagaço de malte (b.u). ......................................... 78

Tabela 3. Valores médios dos materiais voláteis (MV), cinzas (Cz) e carbono fixo (CF). ..... 83

Tabela 4. Valores médios dos teores de umidade, densidades e poder calorífico superior. . 86

Tabela 5. Equações de regressão para poder calorífico superior. ........................................ 89

Tabela 6. Análise de variância das regressões do poder calorífico superior em função da

umidade e da densidade do bagaço de malte. .............................................................. 89

Tabela 7. Valores médios dos poderes caloríficos superiores (PCS) estimados e

determinados para o bagaço de malte. ......................................................................... 89

Tabela 8. Levantamento de consumo de energia térmica. ................................................... 93

Tabela 9. Capacidade energética mensal e anual das caldeiras em estudo. ....................... 94

Tabela 10. Simulação do volume de gás natural consumido pela empresa no ano de 2009.

..................................................................................................................................... 95

Tabela 11. Volume de gás natural consumido por semana. ................................................. 96

Tabela 12. Simulação do custo mensal e anual do consumo de gás natural para a

configuração atual. ....................................................................................................... 97

Tabela 13. Geração de bagaço úmido. ................................................................................ 98

Tabela 14. Receita com a venda do bagaço úmido.............................................................. 98

Tabela 15. Produção mensal de bagaço seco. .................................................................... 99

Tabela 16. Simulação do custo mensal e anual do consumo de gás natural para a

configuração proposta. ............................................................................................... 105

Tabela 17. Quantidade de bagaço seco excedente. .......................................................... 106

xiv

LISTA DE NOMENCLATURA

b.s. Base seca -

b.u. Base úmida -

BM Bagaço de malte -

BS Bagaço seco -

Cz Cinza %

D Densidade kg/m³

gl Grau de liberdade -

GN Gás natural -

MQ Média Quadrática -

MSB Multiple step boiling -

MV Materiais voláteis %

PCI Poder calorífico inferior kcal/kg

PCS Poder calorífico superior kcal/kg

R2 Coeficiente de determinação -

RT Regime de trabalho -

SQ Soma Quadrática -

TU Teor de umidade %

xv

SUMÁRIO Dedicatória ........................................................................................................................................ v

Agradecimentos .............................................................................................................................. vi

Resumo .......................................................................................................................................... viii

Abstract ............................................................................................................................................ ix

1. INTRODUÇÃO ...........................................................................................................................17

2. OBJETIVOS ...............................................................................................................................19

2.1. OBJETIVO GERAL .............................................................................................................19

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..............................................................................................19

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .....................................................................................................20

3.1. CEVADA ..............................................................................................................................20

3.1.1. Aspectos Gerais ...........................................................................................................20

3.1.2. Utilização da cevada....................................................................................................22

3.1.3. Estrutura do grão de cevada.......................................................................................24

3.1.4. Composição química do grão e função nutricional ...................................................25

3.1.4.1. Carboidratos ..............................................................................................................26

3.1.4.2. Proteínas ...................................................................................................................31

3.1.5. Malte de cevada ...........................................................................................................31

3.1.5.1. Malteação ..................................................................................................................33

3.2. APROVEITAMENTO DE RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS ..........................................37

3.2.1. Aspectos Gerais ...........................................................................................................37

3.2.2. Subprodutos agroindustriais .......................................................................................39

3.2.3. Subprodutos gerados pela indústria cervejeira .........................................................41

3.3. DEMANDA E OFERTA DE ENERGIA NO BRASIL E NO MUNDO ...............................44

3.3.1. Biomassa ......................................................................................................................46

3.3.2. Composição de biomassa ...........................................................................................49

3.3.3. Características da biomassa.......................................................................................50

3.3.4. Poder calorífico da biomassa......................................................................................53

3.3.5. Cogeração a partir da biomassa ................................................................................57

3.3.6. Fenômenos associados à combustão de biomassa: secagem, pirólise,

desvolatilização e combustão ...............................................................................................60

4. MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................................63

4.1. MATÉRIA-PRIMA ...............................................................................................................63

4.2. DETERMINAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DA MATÉRIA-PRIMA ..........................................63

xvi

4.2.1. Análise imediata ...........................................................................................................64

4.3. DETERMINAÇÃO DO PODER CALORÍFICO DO BAGAÇO DE MALTE .....................64

4.3.1. Calorímetro ...................................................................................................................64

4.3.2. Prensagem ...................................................................................................................67

4.3.3. Poder calorífico superior (PCS) ..................................................................................68

4.3.3.1. Cálculo do poder calorífico superior........................................................................70

4.4. COMPARAÇÃO DO PODER CALORÍFICO SUPERIOR DO BAGAÇO DE MALTE

COM OUTROS COMBUSTÍVEIS .............................................................................................71

4.5. VIABILIDADE ECONÔMICA ..............................................................................................71

4.5.1. Diagnóstico energético da planta em estudo ............................................................71

4.5.2. Configuração atual de geração e proposta de cogeração .......................................72

4.5.4. Cálculo da geração de bagaço úmido .......................................................................75

4.5.5. Cálculo da produção de bagaço de malte seco ........................................................76

4.5.6. Regime de trabalho entre as caldeiras em funcionamento ......................................77

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................................78

5.1. COMPOSIÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DO BAGAÇO DE MALTE ........................................78

5.2. CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA DO BAGAÇO DE MALTE .............................................83

5.3. VARIAÇÃO DO PODER CALORÍFICO SUPERIOR EM FUNÇÃO DOS TEORES DE

UMIDADE E DENSIDADE. ........................................................................................................85

5.3.1. Estimativa do poder calorífico superior. .....................................................................88

5.4. COMPARAÇÃO DO PODER CALORÍFICO SUPERIOR DO BAGAÇO DE MALTE

COM OUTROS COMBUSTÍVEIS .............................................................................................90

5.5. ESTUDO DA VIABILIDADE ECONÔMICA ......................................................................92

5.5.1. Diagnóstico energético da planta em estudo ............................................................92

5.5.2. Configuração atual de geração e proposta de cogeração .......................................94

5.5.3. Custo com o consumo do gás natural........................................................................95

5.5.4. Geração de bagaço úmido ..........................................................................................98

5.5.5. Produção de bagaço de malte seco ...........................................................................99

5.5.6. Regime de trabalho entre as caldeiras em funcionamento ......................................99

6. CONCLUSÃO ...........................................................................................................................107

7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ....................................................................108

8. REFERÊNCIAS ........................................................................................................................109

17

1. INTRODUÇÃO

Segundo Shapiro (2007), os baixos níveis de eficiência energética dos países

em desenvolvimento são atualmente uma barreira aos esforços de mitigação das

alterações climáticas. Promover medidas e implantar projetos neste sentido podem

fazer com que o que hoje é uma ameaça seja uma oportunidade, com possibilidade

de ganhos no processo de desenvolvimento humano.

No setor industrial, por exemplo, nos últimos anos verificam-se várias

iniciativas neste sentido, com especial atenção à remodelação de processos e ao

uso de combustíveis renováveis e alternativos, enquanto fontes limpas de energia,

em substituição às de alta emissão de gases de efeito estufa, dentre outros

poluentes nocivos à saúde humana e ao meio ambiente (ACEEE, 2008)

Acompanhando essas rápidas mudanças do atual cenário energético mundial,

o Brasil tem cada vez um papel de destaque, sendo até mesmo um líder em alguns

desses processos, como no caso da produção do etanol de cana-de-açúcar e no

aproveitamento dos resíduos e efluentes dos processos produtivos para a geração

de energia limpa e renovável (BARBOSA, 2010).

Uma solução viável no sentido de se diminuir a exploração de florestas é a

utilização racional e eficiente de resíduos agro florestais, subprodutos vegetais de

culturas alimentícias, agroindústrias ou de exploração de florestas, que não são

utilizados diretamente como energéticos por possuírem em geral baixa densidade,

alta umidade, formato geométrico indesejado e baixo poder calorífico, sendo

necessários, portanto, processamentos com o objetivo de aumentar a eficiência de

utilização desses insumos, o que em muitos casos se torna vantajoso devido aos

baixos custos de obtenção desses resíduos (MAYER, 2007).

A questão ambiental, com a necessidade de minimização das emissões de

CO2, é um ponto favorável ao uso da biomassa, pois quando ela é queimada, CO2 é

liberado na atmosfera; entretanto esse gás é absorvido pelas plantas durante a

fotossíntese, mantendo constante a sua quantidade na atmosfera. Vantagens como

estas fazem com que a biomassa seja opção estratégica para o mundo também, só

18

dependendo de políticas adequadas para sua viabilização. Vale ressaltar que os

distintos cenários, presente nas macro regiões do País, influenciam diretamente nos

parâmetros de utilização da biomassa como fonte energética (AMBIENTE BRASIL,

2011).

De maneira geral, a biomassa assim empregada enquadra-se perfeitamente

no conceito do desenvolvimento sustentável, pois permite a criação de empregos na

região, dinamiza as atividades econômicas, reduz os custos relativos à distribuição e

transmissão da energia gerada e, quando utilizada de forma sustentável, não agride

o meio ambiente.

Assim, com base nos conhecimentos já proporcionados por essa discussão, o

que se propõe nesta dissertação é determinar o poder calorífico do bagaço de malte

para utilizá-lo como possível fonte de energia. Espera-se com isto ampliar o alcance

desses conhecimentos e contribuir com subsídios analíticos úteis ao setor cervejeiro,

de modo que o presente estudo possa servir como instrumento auxiliar na tomada

de decisões em futuros investimentos no setor.

19

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GERAL

Estudar a capacidade energética do bagaço de malte oriundo de cervejarias

em diferentes níveis de umidade para fins energéticos, mediante caracterização e

análise de viabilidade econômica.

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

a) Determinar a composição físico-química do bagaço de malte;

b) Caracterizar, sob o ponto de vista energético, o bagaço de malte proveniente

de indústrias cervejeiras;

c) Comparar o poder energético do bagaço de malte com os combustíveis

fósseis e as biomassas usuais;

d) Verificar a viabilidade econômica da substituição parcial do combustível atual

(gás natural) pelo bagaço de malte como fonte de geração de calor.

20

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1. CEVADA

3.1.1. Aspectos Gerais

A cevada é uma das culturas fundadoras da agricultura do velho mundo e foi

um dos primeiros cereais caseiros. É também um modelo experimental devido ao

seu curto ciclo de vida e características morfológicas, fisiológicas e genéticas.

(AUSTRALIAN GOVERNMENT, 2008)

A região sul do país destaca-se por sua grande produção de cereais, entre os

quais de cevada (Hordeum vulgare L.), ocupando a quarta posição em produção de

cereais no mundo (Yalçin et. al., 2007), sendo superada somente pelo trigo, arroz e

milho. É extensamente usada na indústria cervejeira e alimentação animal. O seu

uso tem sido restrito na alimentação humana, em parte devido à ausência de uma

adequada avaliação nutricional. No entanto, devido ao seu elevado teor de β-

glucanas (Fujita & Figueroa, 2003) há um interesse crescente neste cereal para

consumo humano e usos industriais (OSCARSSON et. al.,1996; BHATTY, 1999).

Nos países da Ásia, a cevada é amplamente usada na indústria de alimentos

(BHATTY & ROSSNAGEL, 1998).

A cevada é uma gramínea cerealífera, o seu período de germinação é de 1 a

3 dias. Suas flores são dispostas em espigas, na extremidade do colmo, e os frutos,

amarelados e ovóides, fornecem uma farinha alimentícia que é utilizada na

fabricação da cerveja, e os grãos torrados e moídos são usados na fabricação de

bebida semelhante ao café natural sem cafeína (SCARLATELLI, 1994).

Hordeum vulgare é dividida em duas subespécies: Hordeum vulgare L. ssp.

vulgare. e Hordeum vulgare L. ssp. spontaneum (C. Koch.) Thell. Hordeum vulgare

L. ssp. vulgare é a cevada cultivada, já a Hordeum vulgare L. ssp. spontaneum é o

progenitor selvagem da cevada (AUSTRALIAN GOVERNMENT, 2008).

21

A cevada (Hordeum) pertence ao gênero Triticeae tribo da família das

gramíneas, Poaceae (também conhecido como Gramineae). A tribo Triticeae é um

grupo de plantas de clima temperado com diversos cereais e forrageiras de

importância econômica, bem como cerca de 350 espécies selvagens. O gênero

Hordeum é incomum entre os Triticeae, já que contém ambas as espécies anuais,

como H. vulgare e H. marinum e espécies perenes, tais como H. bulbosum (VON

BOTHMER, 1992).

O gênero Hordeum possui centros de diversidade na região central e sul da

Ásia Ocidental, América do Norte ocidental, América do Sul, e no Mediterrâneo

(VON BOTHMER, 1992). As espécies Hordeum ocorrem em uma vasta gama de

habitats. A maioria das espécies silvestres perenes crescem em ambientes úmidos,

enquanto que as espécies anuais são restritas a habitats abertos e áreas

antropizadas. Muitas espécies são adaptadas a ambientes extremos e muitos têm

tolerância ao frio e salina (VON BOTHMER, 1992).

A cevada cultivada cresce em uma série de ambientes diversificados que

variam de sub Ártico ao sub-tropical, com maior concentração em áreas temperadas

e altitudes elevadas dos trópicos e subtrópicos. Diferentemente do planalto frio, a

cevada é raramente cultivada nos trópicos, uma vez que não é adequado para

climas quentes úmidos (NEVO, 1992).

Figura 1. Cevada (Hordeum vulgare L.).

22

3.1.2. Utilização da cevada

Para fins comerciais, as variedades de cevada são classificadas em três

classes gerais que são usadas como base para o comércio mundial. Os principais

fatores utilizados para distinguir variedades de cevada são alimentos para animais

ou cevada, o hábito de crescimento no inverno ou primavera, razão de amilose por

amilopectina, descascados ou cevada casco inferior e variedades de seis, de quatro

ou duas linhas (OCDE, 2004).

A cevada é o cereal de quarta maior importancia no mundo depois do trigo,

milho e arroz, e está entre as dez melhores plantas cultiváveis no mundo (AKAR et.

al. 2004). Globalmente, mais de 136 milhões de toneladas de cevada são

produzidos anualmente em cerca de 56 milhões de hectares. Principais

exportadores de cevada incluem: Austrália, Ucrânia, União Européia, Canadá e

Rússia (ver Quadro 1), enquanto os principais mercados para a importação de

cevada são a Arábia Saudita, Japão e China.

Atualmente, cerca de 90% da cevada cultivada no Brasil, usada

principalmente para fabricação de cerveja, são da variedade BR-2. A produção deste

grão atende às três unidades de malteação nacionais e geram, por ano, 270 mil

toneladas de malte que é bastante pequena em comparação com o que se é

consumido pelas cervejarias, em torno de um milhão de toneladas (SANTOS et. al.,

2001).

O grão é utilizado na industrialização de bebidas (cerveja e destilados), na

composição de farinhas ou flocos para panificação, na produção de medicamentos e

na formulação de produtos dietéticos e de substitutos de café. A cevada é ainda

empregada em alimentação animal como forragem verde e na fabricação de ração.

No Brasil, a malteação é o principal uso econômico da cevada, já que o país produz

apenas 30% da demanda da indústria cervejeira (Vieira & Braz, 2009).

23

Quadro 1. Área de produção de cevada e de exportação, 2005-06.

País Produção ('000 ton)

Área Colhida ('000 hectares)

Exportação do comércio

anual ('000 ton)

União Européia 54,752 13,790 2,587

Federação Russa 15,800 9,150 1,397

Canadá 11,678 3,634 1,876

Austrália 9,563 4,447 5,231

Ucrânia 9,000 4,350 4,926

Turquia 7,600 3,600 550,000

Estados Unidos 4,613 1,323 357,000

República Popular da China 3,400 850,000 3,000

Mundo 136,628 55,654 17,428

FONTE: AUSTRALIAN GOVERNMENT, 2008.

Originalmente, a cevada era principalmente cultivada e utilizada na

alimentação humana, mas hoje ela é usada principalmente para alimentação animal

e para a produção de malte, com pequenas quantidades de sementes e utilizados

para consumo humano direto. A cevada também é usada para a produção de fécula,

seja para alimentação ou para a indústria química (OCDE, 2004). Além disso, a

cevada tem alguns subprodutos úteis, o mais valioso é a palha que é usada

principalmente para a compostagem nos países desenvolvidos, mas também para

alimentar animais nos países em desenvolvimento e subdesenvolvidos (AKAR et. al.

2004).

Globalmente, até 85% da cevada produzida é utilizada na alimentação de

animais, incluindo bovinos (corte e leite), suínos e aves (AKAR et al 2004;. OECD

2004). Na maioria dos casos, a cevada inteira é esmagada, moída ou em flocos,

antes de ser alimentada, para melhorar a digestibilidade (OCDE, 2004).

A cevada é considerada como tendo um pobre valor nutritivo comparado com

o trigo, devido o seu alto teor de fibras, a energia não é facilmente utilizada por

animais. Embora tenha um alto teor de proteína maior que o milho, a dieta de alto

desempenho de animais monogástricos normalmente precisa ser complementada

24

com outras fontes de proteína, devido ao baixo teor e qualidade da proteína no grão

de cevada (OCDE, 2004).

Tradicionalmente, a cevada era um dos grãos dominante, mas foi

ultrapassado pelo arroz e trigo, em muitos países. A cevada é ainda um grão de

alimento importante em várias regiões do mundo, incluindo Marrocos, Índia, China e

Etiópia (OCDE, 2004). Por exemplo, cevada, pão sírio ou mingau de aveia são

amplamente consumidos no Norte de África e partes da Ásia. Comida de cevada é

geralmente encontrado em regiões onde outros cereais não crescem bem, devido às

chuvas, a baixa altitude, ou salinidade do solo (FAO, 2002).

Nos países ocidentais, a cevada está aumentando na popularidade como um

grão de comida e é utilizado em farinhas de panificação ou de outras especialidades,

tais como os alimentos para bêbes, alimentos saudáveis e espessantes. É preferido

por alguns fabricantes de alimentos devido ao seu baixo preço em comparação com

o trigo e seu valor nutricional (AKAR et. al. 2004). Amido de cevada é utilizada tanto

na indústria alimentícia como adoçante e ligante, e da indústria cervejeira, na

produção de cerveja e álcool (OCDE 2004).

3.1.3. Estrutura do grão de cevada

A cevada é um grão com características organolépticas atraentes (cor, sabor,

odor e textura). É semelhante a espigas do trigo, embora seja ligeiramente mais

clara na cor. O uso do grão inteiro (integral) é relativamente desconhecido, haja vista

o número limitado de pesquisas existentes em relação à sua importância nutricional.

Entretanto, pesquisas com grãos de cevada, separados das bractéas florais com

espinhos semilhados vem sendo desenvolvidas, visando à introdução deste cereal

na alimentação humana (HELM & DE FRANCISCO, 2004; HOLTEKJOLEN et. al.

2007). O grão de cevada é composto, basicamente, por três porções: casca,

embrião e endosperma (Figura 2).

A casca é a parte exterior da semente, camada resistente e tem a função de

proteção, contém fibras, antioxidantes, minerais e vitaminas do complexo B. A

cevada difere de muitos grãos, pois a fibra está distribuída na semente inteira e não

25

apenas na camada externa (YALÇIN et. al., 2007). Assim, quando a casca, ou a

camada externa é removida, apenas parte da fibra é perdida (XUE et. al., 1997;

OSCARSSON et. al., 1996). Desta forma, um produto processado a partir da

camada externa do grão de cevada, como o farelo, pode ser nutricionalmente

atraente com elação aos teores de fibra alimentar. O restante do grão retém ainda

em torno de 50% de seu valor de fibra (HELM & DE FRANCISCO, 2004).

Figura 2. Estrutura do grão de cevada.

Evers (1999) em revisão bibliográfica sobre a estrutura e composição de

grãos de cereais, cita um valor de 13% de perda de casca nos grãos de cevada.

Valor este que reflete diretamente o rendimento do grão, na indústria de

processamento, quando descascado.

O embrião da semente contém vitaminas do complexo B, algumas proteínas,

minerais e lipídeos. O endosperma é a fonte de nutrientes do embrião sendo a

parcela da semente que contém maior quantidade de carboidratos, proteínas e

quantidades pequenas de minerais e vitaminas (MAYER, 2007).

3.1.4. Composição química do grão e função nutricional

Os principais componentes do grão de cevada são: o amido, a proteína e a

fibra alimentar, e os componentes minoritários são os lipídeos, minerais e vitaminas

(YALÇIN et. al., 2007). Esses grupos sofrem variações químicas por fatores

genéticos e ambientais (MOLINA-CANO et. al.,1995; YALÇIN et. al., 2007). Os

diferentes componentes do alimento e suas quantidades exercem efeitos

diferenciados no organismo. Assim, a variação na composição química de

26

determinado alimento pode definir sua utilização. Abaixo segue a composição do

grão de cevada (em 100% da matéria seca):

Quadro 2. Composição do Grão de Cevada.

Nutriente Concentração

Matéria Seca 89,0%

Proteína Bruta 7 – 13%

Proteína degradável no rúmen (% da PB) 75,0%

Proteína não degradável no rúmen (% da PB) 25,0%

Proteína Solúvel (% da PB) 20,0%

Fibra Bruta 6,0%

Fibra detergente ácido (FDA) 7,0%

Fibra detergente neutro (FDN) 19 - 25%

Fibra detergente neutro-efetiva (% da FDN) 50,0%

Carboidratos não estruturais 56,0%

- 9,1% açúcares ―

- 81,7% amido ―

- 9,2% pectina e b-Glucans ―

Extrato etéreo 2,2%

Cinzas 2,6%

Cálcio 0,1%

Fósforo 0,4%

NDT 84,0%

Fontes: Hoard’s Dairyman Feeding Guide, 1998. From Feed to Milk, Penn state University.

3.1.4.1. Carboidratos

Dos carboidratos, que representam de 40 a 80% do valor energético total da

alimentação diária (Bhatty, 1999; Freitas, 2002), o amido é o principal componente e,

conseqüentemente, a maior fonte de glicose da dieta humana, necessárias, também

para a manutenção do tecido nervoso e cerebral (MAHAM et. al., 2002). Além do

amido, outros carboidratos não fibrosos estão presentes em quantidades menores

na forma de açúcares simples, como a frutose e glicose (Matsuo et. al., 1995), mas

representam um valor nutricional e industrial importante.

27

As recentes descobertas relacionadas à importância nutricional dos

carboidratos complexos e aos efeitos fisiológicos têm sido modificadas. Neste grupo

de nutrientes, incluem-se o amido e os polissacarídeos não-amiláceos, os quais

possuem diferenças em suas estruturas químicas e em seus efeitos fisiológicos

(LOBO & SILVA, 2003).

Amido

O amido constitui de 50% a 65% do peso dos grãos de cereais secos, e até

80% da matéria seca das raízes e dos tubérculos. Em conseqüência, desta

participação, os grãos de cereais são usados na alimentação como principal fonte

energética (MAYER, 2007).

A quantidade de amido no grão de cevada apresenta variação entre

cultivares, o que pode ser atribuído à fatores genéticos e ambientais. Pesquisas

realizadas por Oscarsson et. al. (1996), Xue et. al. (1997) e Holtekjolen et. al. (2007)

com grãos de cevada sem casca, mostraram valores de 51 a 64% de amido.

Amilose, Amilopectina e Amido resistente

O grânulo de amido é constituído por dois polissacarídeos, a amilose e a

amilopectina (VANDEPUTTE et. al., 2003; SANDHU et. al., 2004). A amilose é

formada por unidades de glicose, unidas por ligações glicosídicas α (1 4),

originando uma cadeia essencialmente linear. A amilopectina é composta por

unidades de glicose unidas em α (1 4) e α (1 6), formando uma estrutura

ramificada, representando cerca de 80% dos polissacarídeos. Em razão das

diferenças estruturais, a amilose é mais hidrossolúvel que a amilopectina, e essa

característica pode ser usada para separar esses dois componentes.

Eerlingen & Delcour (1995), define amido resistente, com base na sua

resistência à hidrólise enzimática, como a parcela do grânulo ou de seus produtos

de degradação, que não são digeridos ou absorvidos no intestino delgado de

indivíduos saudáveis, podendo, entretanto, ser fermentado no intestino grosso.

28

Nutricionalmente, o amido pode ser classificado como glicêmico ou resistente, sendo

que o amido glicêmico é degradado à glicose por enzimas no trato digestivo.

De acordo com Englyst et. al. (1992), quanto à digestão, o amido pode ser

classificado, como lentamente ou rapidamente digestível no intestino delgado.

Sendo que o amido resistente é a soma do amido e dos produtos de degradação

que resiste à digestão no intestino delgado de indivíduos sadios, porém é

fermentado no intestino grosso pela microflora bacteriana (porção distal do cólon)

(Levin, 2003; Coppini, 2004), apresentando valor calórico baixo. Entretanto, por não

ser digerido, ele representa um papel importante fisiologicamente, pois se torna

disponível como substrato para fermentação pelas bactérias anaeróbicas do cólon

(JENKINS et. al., 1998). Dessa forma, se caracteriza por efeitos fisiológicos

gastrointestinais semelhantes ao das fibras alimentares, sendo freqüentemente

considerado como tal (MUIR & O’DEA, 1992). Por apresentar estas características, o

amido resistente contribui para o aumento do volume fecal, conseqüentemente,

contribui para melhora na constipação, hemorróidas, além de diluir compostos

tóxicos potenciais formadores de células cancerosas (YUE & WARNING, 1998).

Fibra alimentar

Naturalmente, todos os alimentos são funcionais, uma vez que proporcionam

valor nutritivo, por exemplo. Entretanto, nas últimas décadas, o termo funcional está

sendo aplicado a alimentos com uma característica diferente, ou seja, de

proporcionar um benefício fisiológico adicional, além das qualidades nutricionais

básicas encontradas (MAYER, 2007).

De acordo com a Anvisa (1999), alimento funcional é aquele que, além de

funções nutricionais básicas, produz efeitos metabólicos e ou fisiológicos e ou feitos

benéficos à saúde, devendo ser seguro para consumo sem supervisão médica. A

fibra alimentar, pela sua composição, permite que os alimentos possam ser incluídos

na categoria de alimentos funcionais, pois a sua utilização dentro de uma dieta

equilibrada ou balanceada pode reduzir o risco de certas doenças (dislipidemias,

29

diabetes melitus, doenças cardíacas, doenças relacionadas ao intestino) (FDA,

1998; FAO, 1997).

Existem varias definições, para fibra alimentar. Segundo Peterson (1992) é

constituída pela soma de polissacarídeos não-amiláceos (PNA) e lignina de vegetais

que não são digeridos por enzimas digestivas de seres humanos. Por sua vez a

Association of Official Analytical Chemists (AOAC), órgão americano, é a parte

comestível das plantas ou análogos aos carboidratos que são resistentes à digestão

e absorção pelo intestino delgado humano, com fermentação parcial ou total no

intestino grosso. Essa definição permite incluir substâncias, que fisiologicamente são

semelhantes às fibras, façam parte dessa categoria de nutrientes. São elas: a

inulina, os frutooligossacarídeos (FOS) e os amidos resistentes (COPPINI, 2004).

As fibras podem ser classificadas de acordo com a estrutura como

polissacarídeos, em relação a sua solubilidade em água e grau de fermentação (pela

ação das bactérias anaeróbicas no intestino grosso) em solúveis e insolúveis.

Enquanto que a fração solúvel é composta por substancias pécticas, β-glucanas e

gomas, a fração insolúvel é constituída por celulose, lignina e hemicelulose

(GUERRA et. al., 2004).

A partir destes conceitos e pesquisas que vêm sendo desenvolvidas ao longo

dos anos, os grãos de cevada podem ser comparados a cereais com características

de alimentos funcionais, devido a sua composição química e valor nutricional, pois

seu uso em determinadas situações pode amenizar ou reduzir complicações

metabólicas e fisiológicas (DONGOWSKI et. al., 2002; LI et. al., 2003; TRUSWELL,

2006).

As frações que constituem a fibra alimentar exercem efeitos fisiológicos e

metabólicos distintos no organismo humano. As fibras solúveis se caracterizam por

serem rapidamente degradadas no intestino grosso, possuem alto grau de

fermentação, apresentando efeito metabólico no trato gastrintestinal, aumentam o

volume das fezes por aumentar o crescimento microbiano, retardando o

esvaziamento gástrico e o trânsito intestinal (BEDFORD & CLASSEN, 1992).

30

São substratos para a fermentação bacteriana que resultam em gases

(hidrogênio, metano e dióxido de carbono) e ácidos graxos de cadeia curta (AGCC).

Estes são resultantes da degradação bacteriana de carboidratos e proteínas da dieta

e os mais abundantes são o acetato, propionato e butirato. Os AGCC exercem papel

importante na fisiologia do intestino, como principal fonte de energia, melhora do

fluxo sanguíneo, aumento da absorção de água e sódio, diminuição do pH,

fundamentais pelas propriedades ao trofismo intestinal e atuam no metabolismo da

glicose e do colesterol (MOORE et. al., 1998; BEHALL, 2004; LI et. al., 2004).

Presentes na fibra solúvel, as β-glucanas são polissacarídeos lineares, não

ramificados, compostos por unidades de glicose (β-D-glicopiranosil) unidos por

ligações glicosídicas β-1,4 e β -1,3. Os cereais apresentam quantidades variáveis de

β-glucanas, a variabilidade ocorre em grande quantidade no endosperma e na

parede celular. Nos grãos de cevada, o teor de β-glucanas observado tem sido de

3,01 a 9,68% (Molina-cano et. al.,1997; Xue et. al.,1997; Fujita & Figueroa, 2003;

Helm & de Francisco, 2004), os quais são influenciados por fatores ambientais e

genéticos (YALÇIN et. al., 2007). Comparando com os valores de 2 a 6% de β-

glucanas presentes em cereais como a aveia (Gutkoski & Trombeta, 1999), a

cevada apresenta valores mais elevados, o que faz com que o consumo desses

grãos na dieta seja desejável.

A fração insolúvel faz parte da estrutura das células vegetais, apresenta efeito

mecânico no trato gastrintestinal, sendo, em geral pouco fermentada, acelera o

tempo de transito intestinal devido à absorção de água (COPPINI, 2004). Como

conseqüência, os principais efeitos são aumentar a freqüência da evacuação,

diminuir o tempo de trânsito no cólon, proteção contra infecção bacteriana,

melhorando ou prevenindo a constipação, diminuindo o risco de hemorróidas e

diverticulite (MAFFEI, 2004).

Embora sejam evidenciados os efeitos individuais das frações insolúvel e

solúvel da fibra, deve-se considerar que, em dietas usuais, ambas serão consumidas

juntas, uma vez que são partes integrantes dos alimentos. Desta forma, os efeitos

31

sobre os processos digestivos e metabólicos não dependerão somente da variação

nos seus teores individuais, mas também, da predominância de uma fração em

relação à outra, da sua composição química e organização estrutural. Estes fatores

determinam as propriedades físico-químicas da fibra e os seus efeitos sobre os

processos digestivos e metabólicos (VANDERHOOF, 1998; LI et. al., 2003; BEHALL,

2004). Na dieta de seres humanos, Maham (2002) sugeriu que o consumo de fibra

deva obedecer à proporção de 3 partes de fibra insolúvel para uma parte de fibra

solúvel.

3.1.4.2. Proteínas

O conteúdo de proteína em grãos de cevada representa uma fração

importante na composição bromatológica. Segundo Xue et. al. (1997), Oscarsson et.

al. (1996) e Yaçin et. al. (2007), os teores oscilam entre 10 a 16%. De acordo com

esses autores fatores que podem influenciar nesta variabilidade são genéticos e

ambientais.

As proteínas, formadas por uma cadeia de aminoácidos, são moléculas

essenciais para manter a estrutura e o funcionamento de todos os organismos vivos

e podem ter diferentes propriedades e funções. São as moléculas orgânicas mais

abundantes e importantes nas células e perfazem 50% ou mais de seu peso seco,

estando presentes em todas as partes de todas as células, uma vez que, são

fundamentais sob todos os aspectos da estrutura e função celulares (MAHAM,

2002). Desta forma, necessita-se de uma identificação das cultivares, também com

relação ao teor de proteínas para uso na nutrição humana.

3.1.5. Malte de cevada

Malte é o termo técnico que define a matéria-prima resultante da germinação

de qualquer cereal sob condições controladas. Há malte de trigo, centeio entre

outros cereais (KALNIN, 1999).

32

De acordo com a Brasil (1977), malte cervejeiro ou cevada malteada para fins

cervejeiros é o produto resultante da germinação forçada e controlada, sob

condições especiais de umidade e temperatura, da cevada Hordeum, sp, cujas

características se enquadram nos limites constantes nas presentes especificações.

O malte cervejeiro ou cevada malteada para fins cervejeiros, segundo o

processo de malteação empregado, respeitados os limites fixados na tabela da

Quadro 3, é ordenado em quatro classes: Malte Pilsen, Malte Munique, Malte

Caramelo e Malte Preto ou Torrado (BRASIL, 1977).

Quadro 3. Características Intrínsecas e Respectivos Teores Limítrofes.

Fonte: BRASIL, 1977.

Em geral, as variedades de cevada de duas linhas são as preferidas para a

produção de malte (Australian Bureau of Statistics, 2007), apesar da cevada de seis

linhas ser comum em algumas cervejas lager de estilo americano. As cervejas

larger iniciam sua fermentação em baixas temperaturas fazendo com que o fermento

se acumule no fundo do tanque de fermentação.

33

Figura 3. Variedade de cevada: (2r) duas fileiras e (6r) seis fileiras.

A característica mais importante na qualidade do malte cervejeiro é o teor de

proteína do grão (Hector et. al., 1996), relacionado negativamente com o rendimento

em extrato (volume de mosto por quilograma de malte) (RUITER & HASLEMORE,

1996; MOLINA-CANO, 1989; VERA-NUÑEZ et. al., 2001). Os teores elevados de

proteína levam ao aumento da viscosidade e instabilidade do mosto, o que provoca

problemas na elaboração do malte e na estabilidade da cerveja (Moreno & Moreno,

2002). Por outro lado, teores de proteína demasiado baixos reduzem a atividade

enzimática. Assim, para satisfazer os padrões estabelecidos pela indústria malteira,

o teor de proteína do grão deve situar-se entre 9 e 12% da matéria seca (Briggs,

1978; Hector et. al., 1996), sendo o intervalo ótimo de 10 a 11% (MORENO &

MORENO, 2002).

O excesso de proteínas no grão resulta em menor teor de amido e,

conseqüentemente, de carboidratos fermentescíveis (FLORIANI, 2002). A menor

quantidade de carboidratos aumenta o tempo de maltagem para que ocorram as

modificações necessárias neste processo.

3.1.5.1. Malteação

É um processo, no qual se sintetizam e mobilizam enzimas liberadas do

grânulo de amido (endosperma). As enzimas produzidas irão participar da quebra de

macromoléculas presentes nas matérias-primas cervejeiras durante a mosturação

(TELES, 2007).

34

O sabor final de uma cerveja depende de uma série de parâmetros

relacionados com a qualidade inicial da cevada e com as várias etapas de seu

processamento. Dentre estes, destaca-se como um fator de grande importância, a

qualidade do malte, que depende do teor de enzimas presentes no produto, que, por

sua vez, é influenciado pela temperatura de secagem da cevada germinada

(SANTOS et. al. 2001).

Os componentes do aroma, do paladar e da cor característica do malte são

formados por reações químicas complexas (caramelização e reação de Maillard) que

acontecem quando o malte é submetido à secagem (WUHRER, 1948;

COTTINGHAM & CIA, 1997). Para a obtenção de malte claro, essas reações devem

ser mantidas em nível mínimo e a taxa de remoção de umidade, em nível ideal, sem

utilizar temperaturas elevadas. Ao contrario, para produzir maltes escuros, utilizam-

se temperaturas elevadas enquanto o teor de umidade ainda é alto (BRAHMA,

1998).

Figura 4. Cores dos maltes.

Nos últimos anos houve muitos avanços no processo do malteado.

Atualmente, para se obter o malte de cevada, por exemplo, leva-se de 8 a 9 dias. Há

50 anos, o mesmo processo levava 14 dias (VARNAM et. al., 1997). Esses avanços

são devidos a um melhor conhecimento da fisiologia do grão da cevada. Hoje, a

germinação pode ser acelerada e uniformizada através da adição e da remoção do

ácido giberélico que produzido no escutelo da cevada, difunde-se para a aleurona e

35

comanda a produção de enzimas hidrolíticas (amilases, proteases, glucanases,

entre outras) que serão posteriormente secretadas.

Em especial, as glucanases merecem atenção, pois são responsáveis pela

degradação dos beta-glucanos presentes nas paredes das células do endosperma.

Os beta-glucanos elevam a viscosidade do mosto, dificultam a filtração, como

também causam turvação no produto final (TELES, 2007). O processo de malteação

(Figura 5) é dividido em: maceração, germinação e secagem.

Figura 5. Fluxograma do processo de malteação (TELES, 2007).

Na etapa de maceração, a cevada já limpa (sem sujidades, grãos estranhos

ou meios-grãos) é colocada em tanques para ser macerada com água. Essa água

de maceração deve estar na faixa de 5 a 8ºC, sendo trocada de 6 a 8 horas. Durante

essa troca, o oxigênio necessário para a respiração é injetado nos tanques. No

embrião há síntese de ácido giberílico e hormônios da planta que irão se difundindo

pela aleurona (HARDWICK, 1994). O processo termina quando a cevada atinge 42-

48% de umidade, com o aparecimento da radícula, ou seja, em torno de dois dias

(VENTURUNI FILHO, 2000).

Durante a germinação, ocorre a hidrólise do amido, proteínas e produção de

enzimas. No período de germinação, a cevada recebe corrente de ar úmido

36

(oxigênio) que vai servir para resfriar o tanque, mantendo umidade e temperatura na

faixa de 15 a 21ºC, servindo também para arrastar o gás carbônico produzido

através da respiração do grão. Quando a estrutura embrionária atinge dois terços do

comprimento do grão, interrompe-se a germinação no processo de secagem

(TELES, 2007).

Diferentes valores de temperatura do ar de secagem podem ser usados na

desidratação do malte verde, conforme literatura disponível. Wuhrer (1948) relatam

que uma temperatura do ar na faixa de 70 a 100 ºC seria adequada para tal

processo. Segundo Lewis e Joung (1995), um processo de secagem mais eficiente é

obtido quando se usam, numa mesma operação, diferentes temperaturas do ar de

secagem, na faixa de 50 a 85ºC, de acordo com a umidade do produto.

O processo de secagem da cevada germinada, malte verde, é descrito por

Lewis e Joung (1995) em três estágios. No primeiro, o produto encontra-se bastante

úmido e a água superficial do grão e aquela das camadas inferiores, próximas à

superfície, podem ser facilmente removidas pelo uso de fluxos de ar elevados, à

temperaturas de 50 a 60ºC. Nesta fase, a evaporação da água dos grãos esfria-os

fazendo com que as enzimas do malte não sejam tão sensíveis à temperatura inicial

do ar de entrada. Durante esta fase o teor de umidade do malte é reduzido para 23-

25% b.u. (base úmida). No segundo estágio, a umidade deve difundir das camadas

mais profundas do grão para a superfície e, então, ser removida. A umidade é

reduzida para 12% b.u. O grão encolhe a medida que é seco, isto reduz a distância

que a umidade deve difundir, como também a área superficial na qual ela pode ser

evaporada. Se a temperatura e o volume de ar de secagem permanecerem os

mesmos, o ar de saída carrega menos água que a sua carga máxima, sendo

necessário um aumento de temperatura (em torno de 70ºC), para aumentar a

eficiência de secagem. Quando a cevada encontra-se abaixo de 12% b.u., existe,

praticamente, apenas a água de constituição e, para removê-la, a temperatura do ar

deve ser novamente elevada. Geralmente, neste estágio são usadas temperaturas

de 80 a 85ºC. Neste terceiro estágio, a umidade é reduzida de 12 para 5% b.u., e

quando o grão se aproxima de 5% b.u. o malte está curado e, então, é deixado em

repouso (de 4 a 8 horas), até alcançar umidade final de 3-5% b.u.

37

3.2. APROVEITAMENTO DE RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS

3.2.1. Aspectos Gerais

Da mesma forma que aconteceu com a indústria, a evolução do agronegócio

e o desenvolvimento dos processos de transformação de alimentos levaram à

geração de muitos resíduos, sendo que estes são um dos principais problemas

ambientais, não só do Brasil, mas do mundo como um todo (GIORDANO, 2000).

Os resíduos gerados nos processos agroindustriais representam perdas

econômicas no processo produtivo e, se não receberem destinação adequada,

podem proporcionar problemas ambientais, em razão da sua carga poluidora. Dentre

estes resíduos, existem vários que podem ser utilizados na alimentação de

ruminantes, podendo ser citados, como exemplo, a polpa cítrica, a casca e o farelo

de arroz, a torta de algodão e o resíduo úmido (bagaço de malte) de cervejaria. Este

último tem se destacado, uma vez que é gerado em grande volume durante o ano

todo (BROCHIER, 2007).

Uma forma de atuação, no que diz respeito ao aproveitamento de resíduos, é

a de buscar utilizações viáveis e econômicas para os inevitáveis resíduos

agroindustriais gerados. Sempre que possível, o resíduo final deverá se constituir

em matéria-prima para um novo processo, constituindo uma segunda transformação.

Há muitos exemplos disso, entre os quais, cita-se o processamento da cana-de-

açúcar no Brasil, cujo bagaço serve desde à alimentação animal até à cogeração de

energia elétrica para venda, satisfazendo demandas regionais. Outro exemplo é o

processamento úmido do milho, em que a melhor solução para seus resíduos foi

repassá-los à indústria de produção de óleo a partir do gérmen (CEREDA, 2000).

Estudos realizados no Rio Grande do Sul – Brasil sugeriram o

compartilhamento do fluxo de resíduos gerados por duas atividades poluidoras da

região (a mineração de carvão e a curtição de couro) como uma estratégia para

promover a redução do impacto ambiental. Os resultados mostraram que os

resíduos da mineração podem ser usados para tratar os resíduos do curtume,

38

implementando uma eco-tecnologia para reduzir a drenagem do ácido da mina

devido ao descarte dos sulfetos reduzidos, enquanto auxiliam na remoção do cromo

dos curtumes, evitando a contaminação de recursos naturais como solo e água

(GIANNETI, 2004).

É crescente também, a aplicação de fibras naturais em uma série de materiais

de uso prático como, por exemplo, o cânhamo e o linho que podem ser convertidos

principalmente em fios, barbantes, cordas marinhas, redes, produção de lençóis,

roupas de banho, lonas (Williams, 2003), além de serem empregados como reforço

de polímeros (OKSMAN, 2003). A fibra de cânhamo foi utilizada em substituição às

fibras vítreas convencionais na obtenção de um compósito termoplástico mais leve

(cerca de 40 %), de baixo preço e com melhor capacidade para absorção de

impactos, sendo essas propriedades vantajosas para o seu emprego no setor

automobilístico (PERVAIZ, 2003).

O consumo da água de coco e da polpa de coco gera uma quantidade

significativa de resíduos, representados por suas cascas. No caso do coco maduro,

as cascas são, geralmente, utilizadas como combustível de caldeiras ou ainda

processadas para beneficiamento de fibras, que são usadas como manufaturas de

cordoalhas, tapetes, esteiras e outros produtos (ROSA et. al., 2002).

Um estudo realizado pela Embrapa Agroindústria Tropical mostrou viabilidade

da utilização do pó da casca do coco verde como substrato agrícola (ROSA et. al.,

2002).

Na indústria do arroz temos como subproduto mais volumoso, as cascas, as

quais podem ser aproveitadas de diversas maneiras (HOUSTON, 1972). Atualmente,

parte desta casca está sendo utilizada na fabricação de blocos e painéis

empregados na construção civil, onde substitui a fibra de madeira comumente

utilizada (SANTOS, 1997). A geração de energia através da queima da casca de

arroz é uma alternativa praticável do ponto de vista tecnológico, viável do ponto de

vista econômico e ética do ponto de vista ecológico, uma vez que existe tecnologia

para a conversão, a matéria-prima é abundante e todo CO2 produzido na queima

39

volta para o ciclo de carbono da biosfera terrestre (HOUSTON, 1972). Como resíduo

desta combustão, é produzida a cinza de casca de arroz. Esta cinza, até então útil

somente para estabilização de solos (ainda sem comprovação técnica) e aterros

sanitários, devido ao seu elevado teor de óxido de silício, está sendo utilizado,

segundo Fonseca (1999), na fabricação de vidros, isolantes térmicos, tijolos

prensados e materiais refratários, bem como na produção de cimento portland e na

forma de agregado em argamassas e concretos (SANTOS, 1997).

Para Valle (1995), um material deixa de ser considerado resíduo pela sua

valorização como matéria prima para a produção de novos produtos. Nesse caso,

determinado resíduo passa a ser tratado como subproduto do processo produtivo.

3.2.2. Subprodutos agroindustriais

Os subprodutos são obtidos a partir do processamento de produtos

agroindustriais destinados à alimentação humana. Podem ser classificados de

acordo com o grau de nobreza, sendo os mais valorizados os subprodutos

(entendidos como matérias de valor comercial que não são as razões de ser da

unidade produtiva) e, na seqüência, os resíduos (COELHO e FIGUEIREDO, 2005).

Apenas 5% dos subprodutos agroindustriais produzidos no planeta são

suficientes para alimentar o rebanho mundial. A América Latina produz mais de 500

milhões de toneladas de subprodutos e resíduos agroindustriais (SOUZA, 2004). O

Brasil produz mais desta metade, sendo que desta metade 1,7 milhões de toneladas

são de resíduo de cervejaria (MUSSATO, et. al., 2006).

Com o crescimento da agroindústria no país as indústrias de cervejaria

passaram a produzir relativamente grande quantidade de subprodutos e resíduos,

gerando certa preocupação no setor. Normalmente, quando os subprodutos e

resíduos são inutilizados e descartados, apresentam grande potencial de

contaminação ao meio ambiente, ou seja, são poluentes em potencial. Entretanto,

comparada às outras indústrias, a indústria de cervejaria tende ser ambientalmente

menos poluente (SANTOS, 2005).

40

Como forma de escoar a demanda, a maior parte desses subprodutos pode

ser reciclada e reutilizada. Sendo assim, na estratégia de se combater o desperdício

e aproveitar as sobras ou descartes inutilizados pelas indústrias, os subprodutos são

utilizados como fontes de matéria-prima para outros setores, além de gerar maior

competitividade entre as indústrias (COELHO e FIGUEIREDO, 2005).

Os resíduos agrícolas provenientes de lavouras comerciais se fossem

utilizados como fontes de energia para a secagem, seriam mais do que suficientes

para a secagem dos produtos que lhes deram origem. O calor produzido pela

queima de um sabugo de milho seria suficiente para secar os grãos de duas ou três

espigas. Aproximadamente, 70% do total de sabugos produzidos em uma lavoura

seria suficiente para a secagem dos grãos e do próprio sabugo (SILVA et. al., 2001).

Quanto ao uso da palha de café como fonte de energia no aquecimento do ar

para secagem do café, deve-se levar em consideração o inconveniente de se estar

eliminando um rico adubo orgânico para a lavoura. Contudo, dependendo da

situação, o seu uso como vetor energético pode ser vantajoso. No Quadro 4,

mostram-se a massa específica e o poder calorífico dos principais resíduos agrícolas

encontrados.

Quadro 4. Poder calorífico inferior de alguns resíduos orgânicos.

Resíduo Umidade (%b.u.)

Massa Específica (kg.m-3)

Poder Calorífico Inferior (kJ.kg-1)

Casca de arroz 12 140 12.977

Casca de amendoim 12 150 12.977

Palha de trigo 20 160 13.395

Sabugo de milho 13 220 17.598

Palha de café 13 250 15.488

Serragem de madeira 40 300 8.372

Bagaço de cana-de-açúcar 50 150 7.535

Fonte: (SILVA et. al., 2001).

No que se refere à composição e ao poder calorífico, os resíduos agrícolas

são térmicos e quimicamente equivalentes à madeira, merecendo, por essa razão,

toda a atenção no momento de sua utilização como combustível, mesmo

apresentando energia menos concentrada (SILVA et. al., 2001).

41

Por fim, deve-se lembrar de que os resíduos agrícolas e florestais geralmente

são acompanhados de grande quantidade de terra. A utilização desse material em

fornalhas pode ocasionar elevado teor de sílica nas cinzas, o que poderá ocasionar

dificuldades operacionais (SILVA et. al., 2001).

3.2.3. Subprodutos gerados pela indústria cervejeira

O setor cervejeiro brasileiro é o mais importante do mercado sul-americano

(COMBINACIÓN, 2005) e um dos maiores do mundo (BRASIL, 2005a). A produção

de cerveja no Brasil alcançou em 2010 a marca recorde de 12,6 bilhões de litros, um

crescimento de 18% em relação a 2009, mais do que o dobro do PIB (BARROS,

2011). Com esse resultado, o Brasil se tornou o terceiro maior mercado de cerveja

do mundo, atrás apenas da China, com uma produção na faixa de 40 bilhões de

litros, e Estados Unidos, com 35 bilhões de litros. Num ano só, o Brasil deixou para

trás gigantes como Rússia e Alemanha (BARROS, 2011).

No processo cervejeiro, os resíduos sólidos são gerados principalmente nas

etapas de filtragem, envase e tratamento de água e efluentes líquidos. Os principais

resíduos gerados são:

Grãos usados: principal tipo de resíduo, em relação à quantidade gerada. São

aqueles resíduos oriundos do aproveitamento do conteúdo dos grãos de malte,

constituídos de restos de casca e polpa dos grãos, misturados, em suspensão ou

dissolvidos no mosto. Embora de origem semelhante, dependendo da etapa onde

são retirados do mosto possuem características físicas e composição distinta, e,

portanto são separados em três tipos:

Bagaço de malte: resíduo gerado na filtração do mosto após a caldeira de

mostura, antes da fervura;

Trub grosso: resíduo tirado do whirlpool, na primeira filtração após o

cozimento, composto de gordura vegetal e proteínas coaguladas.

Trub fino: resíduo obtido na segunda filtração, composto de gordura vegetal,

que sai misturado à terra diatomácea e parcelas de levedo.

42

Tanto o trub fino como o grosso possuem excelentes características

nutricionais, assim como o bagaço de malte, e por esta razão são usados na

fabricação de ração animal. Em alguns casos, estes são misturados ao bagaço de

malte, e em algumas plantas até se utiliza deste trub no preparo de novas bateladas

de mosto (UNEP, 1996).

Excesso de levedura: durante o processo de fermentação as leveduras se

reproduzem, obtendo-se ao final do processo mais levedo do que se utilizará na

próxima batelada. Como já citado, parte desta levedura é utilizada no preparo de

nova batelada, e parte é vendida parta a indústria alimentícia.

Resíduos do envase: durante a etapa de envase existem dois tipos de resíduos

gerados:

Pasta celulósica: composta dos rótulos removidos na lavagem das garrafas

retornáveis a mesma é vendida a empresas de reciclagem de papel;

Garrafas quebradas, latas e tampas metálicas amassadas, plástico e papelão

originários de embalagens. São segregados e vendidos para as empresas de

reciclagem.

Terra Diatomácea: usada na clarificação, é retirada, passa por um processo de

secagem e posteriormente destinada para aterros como material inerte.

Lodo: tanto na Estação de Tratamento de Águas (ETA) como na Estação de

Tratamento de Efluentes (ETE), geram-se quantidades consideráveis de lodo, que

deve ser corretamente gerenciado como resíduo.

Para que se tenha uma idéia do que isso representa em termos mássicos,

nas Figuras 6 e 7 são apresentados gráficos comparativos das quantidades de

resíduos gerados. O gráfico da Figura 7 apresenta valores que não consideram os

grãos usados (UNEP, 1996), enquanto o gráfico da Figura 8 apresenta dados de

uma cervejaria européia que produz 1 milhão de hl cerveja por ano (EC,2003).

43

Figura 6. Geração de resíduos sólidos na produção de cerveja (UNEP, 1996).

Figura 7. Geração de resíduos numa cervejaria de 106 Hl cerveja por ano (EC, 2003).

O bagaço de malte é um subproduto do processo de produção das cervejarias

formado pela parte sólida obtida da filtração do mosto cervejeiro antes da fervura.

Este é constituído principalmente de restos de casca e polpa de malte, mas também

dos grãos do adjunto, como arroz, milho e trigo. O bagaço de malte é

quantitativamente o principal subproduto do processo cervejeiro, sendo gerado de

14 a 20 kg a cada 100 litros de cerveja produzida (SANTOS et. al. 2005).

44

3.3. DEMANDA E OFERTA DE ENERGIA NO BRASIL E NO MUNDO

As fontes de energia classificam-se em primárias e secundárias. A energia

primária refere-se aos produtos energéticos da natureza, na sua forma natural

(bruta), dividindo-se em renováveis (biomassa, energia eólica e solar) e não

renováveis (petróleo, gás natural e carvão mineral). Com relação à energia

secundária, constitui-se dos produtos gerados pela transformação (beneficiamento)

das fontes primárias (ex.: óleo diesel, gasolina, biodiesel) (BRASIL, 2006).

A produção e o consumo de energia, com base nos tradicionais combustíveis

de origem fóssil, são atualmente responsáveis pelos maiores impactos ambientais

em nível mundial, notadamente pela emissão de gases responsáveis pelo efeito

estufa. Assim, a busca por tecnologias e fontes energéticas alternativas e renováveis

vem sendo discutida por pesquisadores, cientistas, empresários, ONGs, políticos e

líderes de governos do mundo todo.

Segundo dados do Ministério de Minas e Energia (MME), o Brasil consumiu

em 2007 um total de 215,6 milhões de tep (tonelada equivalente de petróleo),

registrando um crescimento de 6,2% no consumo em relação a 2006.

O Quadro 5 relaciona as fontes de energia ofertadas no Brasil e no mundo.

Verifica-se que até 2006 o uso de fontes energéticas renováveis em nível mundial

era de apenas 12,9%, enquanto no Brasil já representava 42,76%, com expressiva

participação da biomassa (27,87%). Contudo, a Agência Internacional de Energia

(AIE) prevê que até 2028 as fontes de energias renováveis representarão um terço

de toda a energia produzida pelo homem no planeta (CORTEZ et. al., 2008).

Quadro 5. Oferta de energia no Brasil e no mundo.

Fonte: BRASIL, 2007.

45

Segundo o Ministério de Minas e Energia (2008), a previsão para a Oferta

Interna de Energia – OIE no Brasil em 2030 é de 557,1 milhões de tep,

correspondendo a uma taxa média de crescimento de 3,8% a.a. Apesar de

evidenciar um importante aumento na participação das fontes de energias

renováveis, o cenário futuro nacional prevê uma retração expressiva na participação

da lenha e do carvão vegetal na matriz energética do Brasil. Essa previsão pode

justificar-se pela alta concorrência da lenha pelos diversos segmentos (celulose e

papel, siderúrgicas - carvão vegetal, mobiliário), abrindo mais espaço às propostas

de geração de energia a partir dos resíduos da biomassa. No Quadro 6 é

apresentada à projeção da matriz energética dentro desse cenário.

Quadro 6. Projeção da Oferta Interna de Energia – Brasil (em milhares de tep).

Matriz 2005 2010 2020 2030

Energia não renovável 121.349 159.009 216.007 297.786

Petróleo e derivados 84.553 97.025 119.136 155.907

Gás natural 20.526 37.335 56.693 86.531

Carvão mineral e deriv. 13.721 20.014 30.202 38.404

Urânio e derivados 2.549 4.635 9.976 16.944

Energia Renovável 97.314 119.999 182.430 259.347

Hidráulica e eletricidade 32.379 37.800 54.551 75.067

Lenha e carvão vegetal 28.468 28.151 28.069 30.693

Cana de açúcar e deriv. 30.147 39.330 69.475 103.026

Outras fontes renováveis 6.320 14.718 30.335 50.561

Total 218.663 279.008 398.437 557.133

Fonte: Adaptada de Ministério de Minas e Energia – Matriz Energética Nacional 2030.

As indústrias que têm maior potencial para este tipo de exploração associada

- energia térmica mais energia elétrica ou mecânica - são ligadas direta ou

indiretamente ao setor agrícola. Algumas destas agroindústrias são: cervejarias,

laticínios, beneficiadoras de grãos, fábricas de ração, curtumes, fábricas de pós

(leite, café, etc), fábrica de óleo e derivados, indústria de celulose e papel, indústria

de conservas em geral, usinas de açúcar e álcool e indústria da madeira (SPILLING,

1996).

46

3.3.1. Biomassa

O conceito de Biomassa tem evoluído ao longo do tempo, definida

primeiramente do ponto de vista biológico a partir do conceito de massa total de uma

planta que possa ser eventualmente utilizada, se as técnicas de colheita e condições

de mercado permitirem (Hall & Overed, 1987), até o presente, em que se faz uso do

conceito de sistemas energéticos com base no uso da biomassa, como sendo esta

um insumo fornecido por materiais de origem vegetal renovável ou obtido pela

decomposição de dejetos (FIESP/CIESP, 2001).

Sobre a composição da biomassa ―ocorre em formações naturais e, portanto,

possui composição e morfologia muito variada em função das condições locais e

ambientais, onde é produzida, sendo basicamente composta de Carbono,

Hidrogênio, Oxigênio e Nitrogênio‖ (CANES, 2005).

Uma das principais vantagens da biomassa é que, embora de eficiência

reduzida, seu aproveitamento pode ser feito diretamente, através da combustão em

fornos, caldeiras, etc. Para aumentar a eficiência do processo e reduzir impactos

sócio-ambientais, tem-se desenvolvido e aperfeiçoado tecnologias de conversão

eficiente, como a gaseificação e a pirólise (HOFFMANN, 1999).

Os combustíveis mais comuns da biomassa são os resíduos agrícolas,

madeira e plantas como cana-de-açúcar, que são colhidos com o objetivo de

produzir energia. O lixo municipal pode ser convertido em combustível para o

transporte, indústrias e mesmo residências (CANES, 2005).

A demanda por energia está aumentando rapidamente, devido ao

crescimento da população e seus anseios tecnológicos. A população mundial

dedicou-se às indústrias de carvão e petróleo, mas com a exploração desenfreada

de reservas naturais e a questão do efeito estufa, existe atualmente grande

interesse para a produção sustentável de energia. As fontes de energia renováveis,

como a biomassa, têm papel fundamental no contexto energético, ambiental e sócio-

econômico (DEMIRBAS, 2008).

47

No Brasil, além da produção de álcool, queima em fornos, caldeiras e outros

usos não-comerciais, a biomassa apresenta grande potencial no setor de geração

de energia elétrica. A produção de madeira, em forma de lenha, carvão vegetal ou

toras também gera uma grande quantidade de resíduos, que pode igualmente ser

aproveitada na geração de energia elétrica, entretanto, através da fotossíntese, as

plantas capturam energia do sol e transformam em energia química. Esta energia

pode ser convertida em eletricidade, combustível ou calor. As fontes orgânicas que

são usadas para produzir energia usando este processo são chamadas de biomassa

(CANES, 2005).

A utilização energética de biomassa faz uso de diferentes processos, onde

Cortez & Lora (1997) destacam:

1. Combustão ou queima direta: transformando energia química em calor com a

reação do combustível com o oxigênio, fornecido além da quantidade

estequiométrica;

2. Gaseificação: aquecimento com a presença de oxidante, em quantidade menor

que a estequiométrica, obtendo-se gás combustível (compostos de CO, H2, CH4,

entre outros);

3. Pirólise: aquecimento em ausência de oxidante, obtendo gases combustíveis,

produtos líquidos (alcatrão e ácido piro-lenhoso) e substância carbonosa (processo

de fabricação do carvão vegetal);

4. Liquefação: processo para obtenção de combustíveis líquidos reagindo a

biomassa triturada com monóxido de carbono, em presença de um catalisador

alcalino;

5. Fermentação: conversão anaeróbia, pela ação de microorganismos (processo

usado na obtenção do álcool anidro a partir da cana-de-açúcar); e

6. Biodigestão: conversão anaeróbia, pela ação de microorganismos, produzindo

biogás (metano e gás carbônico).

Em Cortez & Lora (1997) podemos encontrar ainda exemplos das diferentes

indústrias com utilização energética de biomassa: setor sucro-alcooleiro, papel e

48

celulose, cerâmicas, padarias, etc., se estendendo por uma série de setores do meio

produtivo, distribuídas desde pequeno até grande porte.

A biomassa voltada para fins energéticos abrange a utilização de vários

resíduos para a geração de fontes alternativas de energia (CORTEZ, LORA e

AYARZA, 2008). A Figura 8 apresenta um esquema das fontes de biomassa.

Figura 8. Fontes de Biomassas.

Com relação à origem deste suprimento energético, como descrito por Tillman

(1987), ela pode ser:

1. Esterco proveniente da pecuária (bovina, suína, etc.);

2. Cultivos específicos de espécies com objetivos energéticos, plantações

energéticas, árvores de crescimento rápido, sorgo, etc.;

3. Resíduos de indústrias alimentícias, como no caso do açúcar, café instantâneo,

frutas e vegetais enlatados, entre outros;

4. Resíduos do processamento de madeira, tal como: indústria de papel e celulose e

beneficiamento de toras.

Estudos realizados na Índia e no Brasil sobre a utilização dos resíduos

agrícolas (160 milhões de toneladas por ano) e estrume de gado (600 milhões de

49

toneladas por ano), mostram a viabilidade do emprego da biomassa como fonte

energética (KISHORE, 2004; WALTER, 2001).

A biomassa oriunda dos resíduos agrícolas pode também ser aplicada na

remoção de corantes a partir de soluções aquosas. As cascas de árvores de

eucaliptos, por exemplo, são eficientes na remoção de Remazol reativo a partir de

soluções do corante hidrolisado (MORAIS, 1999). Pode-se ainda obter eco-produtos

a partir de biomassas, a exemplo dos carbonos ativados (CAs) utilizando cascas de

coco como precursores. A conversão da biomassa através da pirólise contribui

sensivelmente para a diminuição da poluição ambiental ocasionada pelo acúmulo de

resíduos sólidos (Laine, 1989; Bonelli, 2001), bem como para a minimização das

emissões de SOx, NOx e CO2 em relação à queima dos combustíveis fósseis

(BONELLI, 2001; CUIPING, 2004).

3.3.2. Composição de biomassa

A fotossíntese das plantas produz um conjunto enorme de compostos

químicos necessários para que estas se possam alimentar, crescer e reproduzir. Os

principais componentes de biomassa incluem celulose, hemicelulose, lenhina,

lipídios, proteínas, açúcares simples, hidrocarbonetos, cinzas e outros compostos

minoritários. A abundância de cada um destes compostos está limitada à espécie de

planta e ao tipo de tecido específico que nos possamos estar a referir. Porém, o uso

da biomassa não é estrito à derivada de plantas. Existe, pois um conjunto bastante

alargado de tipos de biomassa (lamas de ETAR, resíduos industriais biológicos, etc.)

dos quais pode ser convertidos termicamente. A combustão pode então ser aplicada

à biomassa, tal como esta se encontra na natureza, bem como a derivados de

reações bioquímicas (p.e. fermentação). Apesar de a biomassa apresentar uma

aparente diversidade de formas, é interessante de verificar na Figura 9 que a sua

composição elementar se mantém constante independentemente do tipo de

biomassa. Devido à sua estrutura de hidratos de carbono, a biomassa apresenta

tipicamente entre 30 a 40% em base seca sem cinzas (bssc) de oxigênio. Contudo,

o maior constituinte é o carbono, entre 45 a 57% bssc. Da constituição orgânica o

hidrogênio é o terceiro maior constituinte e encontra-se em proporções entre os 5 e

50

6% em bssc. O azoto, o enxofre e o cloro encontram-se em percentagens inferiores

a 1% em bssc (IDEIAS, 2008).

Figura 9. Percentagem de carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio (O) e azoto (N) em base seca sem cinzas.

3.3.3. Características da biomassa

Os componentes da biomassa incluem a celulose, hemi-celuloses, lenhina,

lipídios, proteínas, açucares simples, amido, água, hidrocarbonetos, cinzas e outros

compostos. A concentração de cada classe depende da espécie, tipo de tecido,

estado de crescimento e condições de crescimento. A celulose é um hidrato de

carbono de cadeia longa não ramificada constituída por unidades β-D-glucose,

celobiose e com ligações glicosídicas 1-4 (Jenkins et. al., 1996), com composição

elementar C6H10O5. Tem-se verificado que diferentes tipos de celuloses,

provenientes de diferentes materiais e processos têm praticamente a mesma

composição, sendo em todos os casos muito semelhantes à celulose pura, o que

implica que a sua variação estrutural é desprezável (SHENG e AZEVEDO, 2001).

As hemi-celuloses são polissacarídeos de composição variável, incluindo

monossacarídeos de 5 e 6 átomos de carbono. A sua estrutura é muito semelhante

à da celulose, no entanto, é mais curta e apresenta mais ramificações (SHENG e

51

AZEVEDO, 2001). A lenhina é um polímero irregular, ramificado, de unidades de

fenilpropano unidas por ligações carbono-carbono e ligações éter (JENKINS et. al.,

1996).

Devido ao fato de ser essencialmente constituída por hidratos de carbono, a

biomassa tem muito mais oxigênio que os combustíveis fósseis convencionais,

incluindo o carvão, correspondendo a cerca de 30 a 45% da matéria seca. Por este

motivo, teoricamente, a combustão da biomassa necessita de menor quantidade de

ar (TABARÉS et. al., 2000). No entanto, tal como nos combustíveis fósseis, o

principal constituinte é o carbono, cerca de 30 a 60% da matéria seca, seguido do

oxigênio. O hidrogênio é o terceiro maior componente, com cerca de 5 a 6% da

matéria seca. O azoto, enxofre e cloro encontram-se em quantidades normalmente

inferiores a 1% da matéria seca, sendo no entanto responsáveis pela formação de

emissões poluentes. Um exemplo é o caso do azoto, constituinte da fração protéica

das plantas e elemento indispensável para o seu crescimento, no entanto é

responsável pela emissão NO e NO2 (JENKINS et. al., 1996). Verifica-se que o teor

protéico da matéria lenhosa apresenta grandes variações entre espécies diferentes,

observando-se a ocorrência de valores desde 3% (base seca), como é o caso dos

cereais, até cerca de 21% (base seca), como é o caso do bagaço de girassol

(MCDONALD et. al., 1981). Em alguns resíduos de biomassa provenientes da

agricultura, como é o caso da palha dos cereais e a casca de arroz, a sílica é o

terceiro maior componente, atingindo teores até 10-15% da matéria seca (JENKINS

et. al., 1996).

As características que afetam a combustão da biomassa podem dividir-se em

dois tipos principais (KANURY, 1994):

Termoquímicas: entre as características mais importantes encontram-se a

entalpia da reação de combustão, a temperatura de combustão, a energia de

ativação (TABARÉS et. al., 2000) e o teor em cinzas. Estas características

são influenciadas pelas propriedades dos combustíveis (análise próxima, teor

de umidade, minerais, etc.) e da instalação de queima;

52

Taxa de combustão: este fator afeta tanto o processo de combustão no

interior da partícula como à sua superfície. Certas propriedades, tais como o

tamanho da partícula, condutividade térmica, densidade, calor específico e

porosidade são propriedades físicas que afetam os processos internos. Por

outro lado, as propriedades que afetam os processos à superfície estão

essencialmente relacionadas com a transferência de calor desde o ambiente

exterior para a partícula, com a circulação do ar e com a transferência de

massa entre os voláteis e o ar (AZEVEDO, 2002).

De fato, algumas das características que fazem da biomassa um bom

combustível são a facilidade de secagem, elevado poder calorífico, baixa

temperatura de ignição, elevado teor em voláteis (Werther et. al., 2000), elevada

taxa de combustão (Kanury, 1994) e baixa energia de ativação (TABARÉS et. al.,

2000). Estas propriedades são influenciadas tanto pelas características do

combustível como pelas características da fornalha (KANURY, 1994). Por outro lado,

certas características como a umidade, granulometria, densidade e heterogeneidade

dos materiais lenhosos irão limitar a eficiência da sua combustão (KANURY, 1994).

Outro aspecto importante é o fato de ser praticamente impossível obter uma mistura

completamente homogênea entre o combustível e o comburente, sobretudo quanto

se entra em conta com o curto espaço de tempo em que ocorre a mistura

(TABARÉS et. al., 2000). De uma forma simples, a reação global de combustão da

biomassa com o ar pode ser representada pela seguinte expressão:

298726252423

222215432121

791

SOnNOnCOnNnOnOHnCOn

)NO)(e(nOHnSNOHC xxxxx

onde a composição da biomassa é simplificada, sendo representada como um

composto formado por apenas C, H, O, N, S e H2O. Nesta expressão o ar

atmosférico é igualmente simplificado, sendo representado por uma mistura binária

de N2 e O2 (na proporção N2 por O2 = 3.76), desprezando a participação do CO2,

vapor de água e gases raros da atmosfera. Nos produtos formados na combustão,

foi considerada apenas a formação de CO2, H2O (resultante da evaporação da água

e reação do hidrogênio do combustível), N2, CO, NO e SO2 (AZEVEDO, 2002).

53

A medida padrão do teor energético de um combustível é o seu poder

calorífico, o qual depende da sua composição química, incluindo o teor de umidade,

fator limitante da combustão devido à sua entalpia de evaporação (JENKINS et. al.,

1996).

3.3.4. Poder calorífico da biomassa

Definiu-se como poder calorífico, a quantidade de calor gerado pela unidade

de massa ou de volume de um combustível submetido ao processo de combustão à

pressão constante (PERA, 1990). Este pode ser expresso em poder calorífico

superior (PCS) ou poder calorífico inferior (PCI), dependendo da forma como a água

se encontra nos produtos, ou seja, se esta se encontra em estado líquido ou gasoso,

respectivamente.

Segundo Petroff & Doat (1978), o poder calorífico superior do carvão aumenta

à medida que a porcentagem de carbono fixo aumenta.

Segundo Kollmann (1959), deve-se levar em consideração especial aqueles

combustíveis que contenham umidade e hidrogênio, pois nos seus gases de

combustão se encontra água, cujo estado em que se encontra (vapor ou líquido)

influi no valor do poder calorífico.

O PCS é obtido em laboratório, mediante o emprego de aparelho denominado

calorímetro ou determinado analiticamente, desde que a composição elementar do

combustível e a entalpia de combustão dos elementos ou compostos gasosos sejam

conhecidas (PERA, 1990). Alguns dos trabalhos mais relevantes são apresentados

no Quadro 7.

54

Quadro 7. Estimativas do poder calorífico da biomassa.

Verifica-se que os resíduos de biomassa apresentam valores muito diferentes

de umidade, enquanto que por exemplo as palhas dos cereais apresentam baixos

valores de umidade (~14%), existem outros como o bagaço de azeitona e outros

resíduos da agroindústria com valores cerca de 40-80% de umidade (DIAS e

AZEVEDO, 2001). Em alguns estudos realizados, sintetizados no Quadro 7,

verificou-se que a energia libertada na combustão da biomassa apresenta uma

relação muito estreita com a análise elementar (carbono, hidrogênio, azoto e

enxofre), análise imediata (cinzas, voláteis e umidade) e com os constituintes

lenhosos (celulose, hemi-celulose e lenhina), permitindo realizar estimativas a partir

da composição química conhecida.

No calorímetro, mede-se o aquecimento provocado no sistema, pela queima

completa da massa de um combustível. Realizada a combustão, aguarda-se

determinado tempo até se constatar o equilíbrio do processo (PERA, 1990).

55

Fonte: (PARR INSTRUMENT COMPANY, 2011).

Figura 10. Vista e corte de um calorímetro.

Fonte: (PARR INSTRUMENT COMPANY, 2011).

Figura 11. Curva típica da variação da temperatura na determinação do PCS em calorímetro.

O processo permite a aplicação da equação fundamental da calorimetria para

o cálculo do PCS.

Onde,

C = capacidade equivalente do calorímetro correspondente à quantidade de calor

necessária para elevar a temperatura medida a 1ºC.

m = a massa do combustível em gramas.

56

∆t = variação de temperatura ocorrida no processo, até o equilíbrio.

O parâmetro de maior influência no poder calorífico dos combustíveis é o teor

de umidade. A umidade aumenta a energia necessária à pré-ignição e diminui o

calor liberado pela combustão (SILVA et. al., 2001).

Um fato curioso de verificar é que o teor em cinzas da biomassa está

intimamente ligado ao poder calorífico desse mesmo material. Pode mesmo afirmar-

se que existe uma dependência, entre o poder calorífico de um dado combustível e o

seu conteúdo em cinza, como pode ver-se na Figura 12. Nesta figura, está

representado o teor em cinzas em função do poder calorífico, que deriva de uma

revisão da literatura de mais de 90 tipos de biomassa. Como pode verificar-se,

através desta representação gráfica, é notória a dependência entre o teor em cinzas

e o poder calorífico, ou seja, quanto maior for o teor em cinzas da biomassa menor

será o seu poder calorífico.

Figura 12. Teor de cinzas (bs) Vs poder calorífico superior de vários tipos de biomassa.

O processo de combustão da biomassa é um pouco mais complexo que

outros combustíveis (ex. metano, gasolina, etc.), uma vez que o combustível

apresenta uma composição físico-química complexa (Tabarés et. al., 2000) e muito

variável entre espécies diferentes.

57

3.3.5. Cogeração a partir da biomassa

A cogeração é a geração simultânea de energia térmica e mecânica, a partir

de uma mesma fonte primária de energia. A geração mecânica pode ser utilizada na

forma de trabalho (por exemplo, acionamento em moendas, numa usina de açúcar e

álcool) ou transformada em energia elétrica através de gerador de eletricidade; a

energia térmica é utilizada como fonte de calor para o processo (numa indústria,

hospital, ―shopping center‖, etc) (CANES, 2005).

O mercado potencial de cogeração é formado pelos segmentos industriais

(Ambiente Brasil, 2011) que utilizam grandes quantidades de vapor no processo

industrial, ou seja, os seguintes ramos de atividade:

Açúcar e álcool;

Alimentos e bebidas;

Papel e celulose;

Têxtil;

Químico;

Petroquímico.

É importante observar que o processo de cogeração é, antes de tudo, uma

ação de conservação de energia, uma vez que o rendimento do processo de

geração do vapor é elevado a partir da produção combinada, dando-se um melhor

aproveitamento ao conteúdo energético do combustível básico (CANES, 2005).

Dentro do setor industrial, os segmentos de açúcar e álcool, papel e celulose

e alimentos são os que mais utilizam a biomassa, pela grande disponibilidade de

subprodutos (bagaço de cana, resíduos e casca de madeira, licor negro)

correspondendo a 29% do consumo total de biomassa no país, o setor de alimentos,

onde está incluído o setor sucroalcooleiro, utiliza bagaço como maior fonte

energética (50,3% do consumo) (CANES, 2005). Segundo Bem (1997) apud De

Freitas et al, (2000), as outras indústrias do setor compram bagaço das usinas de

açúcar e álcool.

58

No setor de papel e celulose, o maior consumo é de lixívia (23,8%), lenha

(13,4%) e óleo combustível (12,3%) que, como se observa, ainda ocupa uma

posição importante nas fontes energéticas deste setor. A lixívia e a madeira

(incluindo resíduos do processo) são subprodutos do processo de fabricação da

celulose (pelo processo sulfato) (BEM,1997 apud DE FREITAS, et al, 2000).

Por outro lado, aumenta significativamente o número de empresas que

consideram a possibilidade de investir em auto-geração, apesar da atual falta de

viabilidade econômica, decorrentes de dois fatores que são: a perspectiva de

elevação de tarifas e o risco de interrupção do fornecimento, o que provocaria sérias

dificuldades na produção e na qualidade dos produtos (CANES, 2005).

Os Quadros 8, 9 e 10 apresentam os resultados da análise imediata, análise

elementar e poder calorífico de diferentes tipos de biomassas.

Quadro 8. Análise Imediata (% base úmida) de amostras de biomassas.

Amostra Carbono fixo Voláteis Cinzas Umidade

Caroço de azeitona 26,1 70,3 3,6 9,2 Casca de avelã 28,3 69,3 1,4 9,0 Pele da semente de avelã (seedcoat)

27,0 71,2 1,8 6,8

Madeira macia 28,1 70,0 1,7 8,8 Madeira dura 25,0 72,3 2,7 7,8 Palha de trigo 23,5 63,0 13,5 8,5 Casca de árvore 31,8 66,6 1,6 8,8 Sabugo de milho 12,5 86,5 1,0 12,1 Milho seco 17,6 78,7 3,7 10,6 Madeira de abeto 28,3 70,2 1,5 7,6 Madeira de faia 24,6 74,0 0,4 7,4 Folha de tabaco 11,2 72,6 17,2 8,4 Madeira de ailanto 24,8 73,5 1,7 8,1 Casca de nozes (base seca) 37,9 59,3 2,8 - Casca de amêndoas (base seca) 22,7 74,0 3,3 - Casca de semente de girassol (base seca)

19,8 76,2 4,0 -

Fonte: Demirbas, (1997); Demirbas, (2006).

59

Quadro 9. Análise Elementar de amostras de biomassas.

Amostra C H O N

Caroço de azeitona 50,0 6,2 42,2 1,6 Casca de avelã 52,9 5,6 42,7 1,4 Pele da semente de avelã (seedcoat) 51,0 5,4 42,3 1,3 Madeira macia 52,1 6,1 41,0 0,2 Madeira dura 48,6 6,2 41,1 0,4 Palha de trigo 45,5 5,1 34,1 1,8 Casca de árvore 53,1 6,1 40,6 0,2 Sabugo de milho 49,0 5,4 44,6 0,4 Milho seco - - - - Madeira de abeto 51,9 6,1 40,9 0,3 Madeira de faia 49,5 6,2 41,2 0,4 Folha de tabaco - - - - Madeira de ailanto 49,5 6,2 41,0 0,3 Casca de nozes 53,5 6,6 35,5 1,5 Casca de amêndoas 47,9 6,0 41,6 1,1 Casca de semente de girassol 47,4 5,8 41,4 1,4 Fonte: Demirbas, (1997); Demirbas, (2006).

Quadro 10. Poder calorífico superior (kcal.kg-1) de amostras de biomassas.

Amostras Poder Calorífico

Caroço de azeitona 4.538 Casca de avelã 4.610 Pele da semente de avelã (seedcoat) 4.610 Madeira macia 4.777 Madeira dura 4.490 Palha de trigo 4.060 Casca de árvore 4.896 Sabugo de milho 4.060 Milho seco 4.251 Madeira de abeto 4.801 Madeira de faia 4.586 Folha de tabaco 3.583 Madeira de ailanto 4.538 Casca de nozes 5.159 Casca de amêndoas 4.490 Casca de semente de girassol 4.299 Fonte: Demirbas, (1997); Demirbas, (2006) (Adaptado).

A questão ambiental, com a necessidade de minimização das emissões

globais de CO2, é um ponto favorável ao uso da biomassa, pois quando esta é

queimada, CO2 é liberado na atmosfera; entretanto, esse gás é absorvido pelas

plantas durante a fotossíntese, mantendo constante a sua quantidade na atmosfera.

Vantagens como estas fazem com que a biomassa seja uma opção estratégica para

60

o país, só dependendo de políticas adequadas para sua viabilização (Foletto et al,

2005).

3.3.6. Fenômenos associados à combustão de biomassa: secagem, pirólise,

desvolatilização e combustão

A combustão de biomassa apresenta diferenças significativas relativamente

ao carvão, nomeadamente no que diz respeito, ao teor de matéria volátil. Deste

modo, convêm referenciar quais os processos envolvidos e as fases pelas quais um

combustível com estas características passa quando é queimado.

A combustão da biomassa processa-se segundo determinados processos

físico-químicos (Figura 13).

Figura 13. Fases de decomposição de uma partícula de biomassa (adaptação de Scala, 1997).

Em primeiro lugar, a partícula começa por aquecer e secar, quando atinge

temperaturas entre a temperatura de admissão e os 200ºC. Este é um processo

endotérmico e normalmente acompanhado de diminuição de tamanho da partícula.

Tipicamente, os tempos de secagem são muito reduzidos, alguns segundos.

Seguidamente, entre a temperatura de 200-500ºC, o combustível começa a

desvolatilizar. A desvolatilização (ou pirólise) consiste na remoção de compostos

ricos em hidrogênio e oxigênio da matriz sólida do combustível, pela degradação

térmica da mesma acompanhada pela fragmentação do material. Este é um

processo que ocorre devido à degradação térmica da biomassa, sendo a

composição dos produtos gerados em função das condições operatórias: tipo de

biomassa, tamanho das partículas, densidade das partículas no leito, velocidade de

61

aquecimento, temperatura inicial e final, tempo de exposição e pressão (Tarelho,

2001). Esta fase ocorre num espaço de tempo compreendido entre 10 a 100s.

Segundo Saastamoinen (2006), a secagem e a desvolatilização são processos

consecutivos que dependem do tempo (t) e do diâmetro da partícula (d). Considera

também que existe um gradiente de temperatura dentro da partícula e que o tempo

de pirólise pode ser estimado, calculando a temperatura no centro da partícula em

função do tempo.

A terceira fase compreende a queima dos voláteis que ardem em fase

homogênea. A localização da libertação dos voláteis e da combustão é de grande

importância, porque a combustão dos voláteis produz uma quantidade significativa

do total do calor libertado.

A quarta e última fase diz respeito às partículas de carbonizado que são

formadas quando da libertação dos voláteis. O carbonizado é majoritariamente

formado por carbono e cinzas. A sua constituição difere significativamente da

partícula inicial em termos de constituição química, porosidade e massa volumétrica.

As reações associadas à combustão deste material são heterogêneas. Os tempos

de combustão do carbonizado podem ser na ordem dos milhares de segundos.

Na literatura pode ainda ser encontrada uma outra divisão para os processos

que ocorrem durante da combustão de biomassa. Por exemplo Basu (2006), refere

que a combustão se processa segundo um conjunto de quatro eventos

consecutivos: aquecimento e secagem, desvolatilização e combustão dos voláteis,

diminuição do tamanho da partícula e fragmentação primária, e ainda combustão do

carbonizado e fragmentação secundária.

Em outro trabalho, este assinado por Saastamoinen e Richard (1996), os

autores consideram que a desvolatilização é controlada pela transferência de calor,

somente para partículas de biomassa grandes e consideram que a temperatura da

superfície de uma partícula, à qual a secagem termina, pode exceder uma enorme

influência na temperatura à qual a desvolatilização começa. Tal implica que a

secagem e a pirólise, em algum momento, ou em todo o processo se sobreponham.

62

Nota-se portanto, que não existem diferenças significativas quanto ao modo

de como a combustão da biomassa se processa. O que se verifica é que não existe

um consenso acerca do momento em que se processa a secagem, pois existem

autores que consideram que esta ocorre simultaneamente com a desvolatilização e

outros consideram que estas fases deverão ser separadas.

63

4. MATERIAIS E MÉTODOS

As análises foram realizadas nos seguintes locais:

a) Laboratório de Operações Unitárias – LOU e Laboratório de Tecnologia de

Alimentos – LTA, localizado no Centro de Tecnologia da UFPB;

b) Laboratório de Termodinâmica – LT, localizado no Departamento de

Engenharia Química da UFRN.

4.1. MATÉRIA-PRIMA

Para realização das análises foi utilizado o bagaço de malte úmido

proveniente de uma indústria cervejeira localizada no Estado Paraíba.

Foram coletados 2 kg de amostra ao término da filtração antes da remoção do

bagaço para a caixa de bagaço, armazenado em embalagem hermeticamente

fechada, refrigerado e posteriormente transportado para o Laboratório de Operações

Unitárias - LOU, do Departamento de Engenharia de Alimentos, do Centro de

Tecnologia, Campus I, da Universidade Federal da Paraíba.

4.2. DETERMINAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DA MATÉRIA-PRIMA

As análises físico-químicas foram realizadas em triplicata, portanto, o valor

final de cada análise corresponde à média das três repetições. O bagaço de malte

úmido foi submetido às seguintes determinações: umidade, cinzas, proteínas totais,

lipídios, fibra bruta, carboidratos e energia.

Quadro 11. Determinações físico-químicas e metodologias.

Determinação Metodologia

Umidade, Cinzas, Proteínas Totais, Carboidratos,

Fibra Bruta, Energia BRASIL, 2005b.

Lipídeos BLIGH E DYER, 1959.

64

4.2.1. Análise imediata

Segundo LELLES e SILVA (1994), a determinação da composição química

imediata baseia-se nas normas ASTM D-1762-64 ―Chemical Analysis of Wood

Charcoal‖ e ABNT NBR 8112-83 ―Carvão Vegetal - Análise Imediata‖.

Para a análise química imediata o bagaço de malte úmido foi submetido às

seguintes determinações: teor de umidade, teor de voláteis e teor de cinzas, sendo o

carbono fixo obtido por diferença.

4.3. DETERMINAÇÃO DO PODER CALORÍFICO DO BAGAÇO DE MALTE

Para determinar o Poder Calorífico foi utilizado um Calorímetro (Figura 14) da

marca Parr Instrument Company, modelo 1341 Plain Oxygen Bomb Calorimeter, do

tipo adiabática. Esta propriedade está relacionada com a quantidade de energia

liberada (cal) por unidade de massa (g), quando submetida ao processo de

combustão. O teste consiste na combustão de toda a amostra, em ambiente fechado

com a presença de oxigênio sob pressão.

4.3.1. Calorímetro

Quatro elementos essenciais são necessários para um bom resultado da

bomba calorimétrica: um revestimento isolante para proteger a caçamba de

transiente térmicas durante o processo de combustão (Figura 15), um recipiente

para a imersão da bomba em uma quantidade determinada de água, juntamente

com um mecanismo de agitação (Figura 16), uma bomba em que as taxas de

combustível pode ser queimado (Figura 17) e um termômetro ou outros sensores

para medir as mudanças de temperatura dentro do balde (Figura 19).

O calorímetro tem alta resistência, revestimento de fibra de vidro moldado

formado com paredes duplas e uma dupla cobertura para proporcionar uma câmara

oval para o balde do calorímetro que é completamente cercada por espaço aéreo

fechado, morto. Este sistema simples, mas de isolamento eficaz permite uma

pequena transferência de calor entre o calorímetro e seus arredores. Um eixo de

65

agitação e termistor são unidos à tampa e são removidos com a tampa quando o

calorímetro é aberto. Agitação é fornecida por um pequeno motor presa à jaqueta,

mas suficientemente afastados para que ele não adicione calor ao sistema. Um par

de fios com plugues banana realizam o circuito de disparo para os terminais na

cabeça da bomba (PARR INSTRUMENT COMPANY, 1981).

Para pressurizar a bomba de combustão faz-se necessário um cilindro de

oxigênio, dois manômetros para acompanhamento da pressão, uma válvula de alívio

automático para prevenir excesso de pressão durante a operação de enchimento e

um acoplamento para carregar a bomba (Figura 20).

Figura 14. Calorímetro (CORDEIRO, 2011).

Figura 15. Revestimento Isolante (CORDEIRO, 2011).

66

Figura 16. Balde para imersão da bomba (CORDEIRO, 2011).

A) B)

Figura 17. A) Bomba de combustão de oxigênio ou bomba calorimétrica (PARR INSTRUMENT COMPANY, 2011) e B) Divisão da bomba de combustão de oxigênio (CORDEIRO, 2011).

Figura 18. Cabeça da bomba calorimétrica (CORDEIRO, 2011).

3) Válvula de alívio de pressão.

2) Encaixe para as conexões elétricas;

1) Ponto para pressurização;

67

A) B)

Figura 19. A) Bomba Calorimétrica imersa em água com as conexões elétricas encaixadas e B)

Mecanismo de agitação mais termômetro (CORDEIRO, 2011).

Figura 20. Cilindro de oxigênio composto por dois manômetros, válvula de alívio e acoplamento para carregar a bomba (CORDEIRO, 2011).

4.3.2. Prensagem

Para realização da prensagem foi utilizado uma prensa de pellet da marca

Parr Instrument Company, modelo 2811 Pellet Press (Figura 21A). Como o bagaço

de malte é composto por pedaços de cascas e alguns resquícios de amido optou-se

por fazer uma seleção antes da compactação, logo, foi selecionado apenas as

cascas, em seguida realizada sua compactação para tornar a amostra mais

homogênia e favorecer a queima da mesma (Figura 21B). As amostras foram feitas

em triplicatas.

68

De acordo com a Parr Instrument Company (2011), as amostras sólidas

queimam melhor em uma bomba de oxigênio quando reduzidos para um mesh de 60

ou menor e comprimidos em um pellet. O tamanho das partículas é importante

porque influencia a taxa de reação. Partículas grandes podem não queimar

completamente e pequenas partículas são facilmente arrastada para fora da cápsula

de gases turbulentos durante a rápida combustão

A) B)

Figura 21. A) Prensa de pellet (PARR INSTRUMENT COMPANY, 2011) e B) Amostra em forma de pellet (CORDEIRO, 2011).

4.3.3. Poder calorífico superior (PCS)

A determinação do poder calorífico superior foi conduzida em calorímetro a

volume constante no LT-UFRN, foi utilizada a norma ABNT NBR-8633-84 e o

manual do calorímetro 1341 Plain Oxygen Bomb Calorimeter.

Antes da determinação do PCS foi realizada uma secagem do bagaço úmido,

onde cada placa de petri apresentava aproximadamente 13 g de bagaço úmido

(Figura 22A). O secador usado nessa pesquisa foi uma estufa de laboratório (Figura

22B), com potência de aquecimento de 1000 W, dimensões internas (L x A x P) de

(50 x 50 x 60) cm, temperatura interna 105 ºC, temperatura externa de 27 ºC e

coeficiente convectivo de 42,73 W.m-2ºC-1. Nesta fase foram obtidos os seguintes

conteúdos de umidade: 50%, 40%, 30%, 20% e 15%.

69

A) B)

Figura 22. A) Bagaço úmido para secagem e B) Estufa de secagem utilizada na pesquisa

(CORDEIRO, 2011).

Cada amostra com sua respectiva umidade foi submetida à combustão

segundo o procedimento abaixo:

Medição e pesagem de 10 cm do fio de níquel cromo, tendo-se o máximo de

cuidado no manuseio para não aderir a ele nenhuma gordura, aumentando,

assim, o seu peso;

Realizado o engate das duas extremidades do fio de níquel cromo nas

hastes, para que ocorra a ignição e explosão do combustível;

Adicionado (1,00±0,01) mL de água destilada ao fundo da bomba de

combustão;

Prensagem do material combustível, bagaço de malte para formação da

pastilha;

Pesagem da pastilha;

A cabeça da bomba, já com o cadinho e a amostra a ensaiar no seu interior,

foi colocada no respectivo corpo, ajustando-se o conjunto com auxílio de um

anel roscado. Foi purgado o interior da bomba com oxigênio para eliminar o

azoto atmosférico e em seguida saturado a bomba com 28 atm de oxigênio;

Foi feita a medição do volume de 2000 ml de água e colocação da mesma

dentro do recipiente adiabático onde em seguida foi instalada a bomba

calorimétrica;

Após inserir a bomba calorimétrica no banho termostático, foi feita a conexão

das ligações elétricas na cabeça da bomba;

70

A tampa do calorímetro foi fechada e o conteúdo do vaso calorimétrico

(bomba+água) foi aquecido até próximo da temperatura pretendida para o

início do ensaio. Após a estabilização da temperatura da água do vaso,

procedeu-se o disparo manual do sistema de ignição do calorímetro,

ocorrendo à combustão da amostra com o correspondente aumento da

temperatura da água do vaso calorimétrico;

Foi acompanhado o aumento da temperatura através do termômetro até se

alcançar o equilíbrio, anotando o valor final da temperatura;

O sistema calorimétrico foi desligado e a bomba foi retirada do vaso

calorimétrico. A válvula de saída de gases foi aberta lentamente e a bomba

desmontada;

O comprimento dos pedaços de fio fusível não queimados foi medido para se

contabilizar a energia envolvida na combustão do fio fusível (energia de

ignição).

4.3.3.1. Cálculo do poder calorífico superior

Para calcular o poder calorífico do bagaço de malte em estudo foram

utilizadas as seguintes equações:

T

cCQKbomba

)(1

(Eq. 4.1)

Onde:

Q1: Calor relativo à queima de 1,0g do ácido benzóico = 6.318 cal.g-1;

∆C = Tamanho do fio inicial – tamanho do fio final, em cm;

c: Caloria contida em 1,0 cm do fio-fusível = 2,30 cal.cm-1;

T = Tf – Ti: Variação de temperatura (ºC).

A capacidade calorífica do calorímetro ( bombaK ) é fornecida em cal.g-1ºC-1

(valor experimental obtido com ácido benzóico para efeito de calibração do

dispositivo). Uma vez determinada à capacidade calorífica da bomba, pode-se

determinar o poder calorífico superior do bagaço utilizando a equação abaixo.

71

)( cCTKPCS bomba (Eq. 4.2)

Onde:

PCS: Calor relativo à queima do bagaço de malte (cal.g-1);

bombaK = Capacidade calorífica da bomba (cal.g-1ºC-1).

∆C = Tamanho do fio inicial – tamanho do fio final, em cm;

c: Caloria contida em 1,0 cm do fio-fusível = 2,30 cal.cm-1;

T = Tf – Ti: Variação de temperatura (ºC).

4.4. COMPARAÇÃO DO PODER CALORÍFICO SUPERIOR DO BAGAÇO DE

MALTE COM OUTROS COMBUSTÍVEIS

Foi comparado o poder calorífico superior do bagaço de malte nos diferentes

níveis de umidade encontrados com os combustíveis listados na Tabela 13 e com

outras biomassas usuais. Também foi realizada a comparação com os seguintes

combustíveis fósseis: Gás Natural, Gás Liquefeito de Petróleo e Coque.

A comparação foi feita utilizando apenas o poder calorífico superior, o poder

calorífico inferior não foi considerado neste estudo.

4.5. VIABILIDADE ECONÔMICA

O presente trabalho propõe o reaproveitamento do bagaço de malte,

subproduto gerado pela indústria cervejeira, como alternativa de combustível para

seus fornos industriais. A matriz energética da planta em estudo é focada no gás

natural, um produto que é relativamente caro comparado a uma série de biomassas.

4.5.1. Diagnóstico energético da planta em estudo

Foi coletada em visita pessoal a empresa em estudo os dados sobre a

produção de cerveja e o consumo de energia térmica, referentes ao ano de 2009.

72

A partir de informações do setor de utilidades da empresa constatou-se que a

sala de cozimento consome aproximadamente 50% do vapor gerado (produção de

grande flutuação) e o envase (packaging) aproximadamente 30% do vapor

(processo contínuo e demanda constante de energia).

Destaca-se que grande quantidade de vapor é também consumida nas etapas

de limpeza e higienização de equipamentos, embora esses processos ocorram em

curto intervalos de tempo.

As caldeiras produzem em média 16,63 quilos de vapor por quilo de

combustível (Gás Natural) consumido. Para calcular o consumo energético foi

utilizado o fator de 86,97 MJ por Hl valor estimado pelos dados coletados. Para

identificação dos meses de alta e baixa produção foi utilizado os seguintes

parâmetros:

Mês de baixa produção: volume ≤ 230.000Hl;

Mês de alta produção: volume > 230.000Hl.

4.5.2. Configuração atual de geração e proposta de cogeração

A configuração atual de geração, é composta por três caldeiras de mesma

capacidade do tipo flamotubular para a produção de vapor no estado saturado

(pressão de 9 bar, produção de vapor de 10 t.h-1 e capacidade térmica de 7.153.163

kcal.h-1), utilizando gás natural. Das três caldeiras existentes duas produzem vapor e

uma fica em ―stand by‖, ou seja, só é utilizada quando umas das caldeiras quebram

ou entram em manutenção.

A proposta de cogeração contempla a instalação de uma caldeira de

biomassa da fabricante Aalborg Industries A/S, modelo FAM-10 (pressão de 9 bar,

produção de vapor de 10 t.h-1 e capacidade térmica de 6.441.628 kcal.h-1), utilizando

como biomassa o bagaço de malte seco.

Para o estudo da viabilidade econômica foi considerado apenas o custo com

o gás natural, já que o bagaço de malte é obtido na própria empresa. Não serão

73

mensurados os custos com a aquisição da planta de secagem e da caldeira de

biomassa, nem os custos operacionais.

O cálculo utilizado para a capacidade de produção de energia térmica mensal

e anual das cadeiras em estudo foi o seguinte:

CTM = CTH x nº de horas (Eq. 4.3)

Onde,

CTM = Capacidade térmica mensal, em kcal.mês-1;

CTH = Capacidade térmica horária, em kcal.h-1;

Nº de horas = será considerado 744 h que equivale a 31 dias.

CTA = CTM x nº de meses (Eq. 4.4)

Onde,

CTA = Capacidade térmica anual, em kcal.ano-1;

CTM = Capacidade térmica mensal, em kcal.mês-1;

Nº de meses = será considerado 12 meses.

Para realização da simulação do consumo do gás natural foi utilizado como

base o consumo de energia térmica da produção de cerveja do ano de 2009. Para o

cálculo do consumo do gás natural foi utilizado o poder calorífico superior de 9400

kcal.m-3 segundo bibliografia consultada. Foi utilizada a equação abaixo para

obtenção dos consumos:

CC = CET ÷ PCS (Eq. 4.5)

Onde,

CC = Consumo do combustível, em m³;

CET = Consumo de energia térmica, em kcal;

PCS = Poder calorífico superior do Gás Natural, em kcal.m-3.

74

4.5.3. Custo pelo consumo do gás natural

O preço do gás natural foi obtido pela PBGÁS de acordo com a tabela de

tarifas do Estado da Paraíba com vigência a partir de 01/08/2011.

Quadro 12. Tarifas aplicadas ao Estado da Paraíba.

Classe Volume (m³ por semana) Tarifas sem

tributos Tarifas com

tributos

R$.m-3 R$.m-3

1 IND. 1 - 0,01 a 35.000,00 m³ 1.0535 1.3745

2 IND.2 - 35.000,01 a 70.000,00 m³ 1.0107 1.3273

3 IND. 3 - 70.000,01 a 105.000,00 m³ 0.9664 1.2785

4 IND. 4 - 105.000,01 a 210.000,00 m³ 0.9226 1.2302

5 IND. 5 - 210.000,01 a 350.000,00 m³ 0.8780 1.1811

6 IND. 6 - 350.000,01 a 700.000,00 m³ 0.8254 1.1231

7 IND. 7 - > 700.000,00 m³ 0.7570 1.0478

Fonte: PBGÁS (2011).

Notas: 1. As tarifas são aplicadas em cascata; 2. Tarifas para o Gás Natural referenciado nas

seguintes condições: Poder Calorífico Superior de 9.400 kcal.m-3; Temperatura = 293,15ºK (20º C);

e Pressão = 1 atm (1,033 kg.cm-2

).

O quadro acima apresenta o consumo em m³ por semana, logo, para a

obtenção desse volume foi considerado o calendário do ano de 2010 e as seguintes

equações:

Quadro 13. Calendário de referência. Calendário do ano de 2010

Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

Dias 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

Volume diário = Consumo mensal (m³) ÷ nº de dias de cada mês (Eq. 4.6)

Volume semanal = Volume diário (m³) x 7 (Eq. 4.7)

Para o cálculo mensal dos custos do consumo de GN foi considerada a tarifa

com tributos e a aplicação em cascata foi realizada seguindo o esquema abaixo.

75

Primeiro foi identificada a classe industrial de consumo por semana com base

no resultado da equação 4.7. Supondo que o valor encontrado ―B‖ encontre-se na

classe 4, aplicamos os seguintes cálculos.

1ª Classe:

35.000,00 m³ x 1,3745 R$.m-3 = R$ 48.107,50 2ª Classe:

(70.000,00 m³ - 35.000,00 m³) = 35.000,00 m³ x 1,3273 R$.m-3 = R$ 46.455,50 3ª Classe:

(105.000,00 m³ - 70.000,00 m³) = 35.000,00 m³ x 1,2785 R$.m-3 = R$ 44.747,50 4ª Classe:

(“B” m³ - 105.000,00 m³) = “C” m³ x 1,2302 R$.m-3 = R$ “D” ⁞

Logo, o custo do volume m³ por semana foi dado pela soma dos resultados das

classes (1, 2, 3, 4...).

4.5.4. Cálculo da geração de bagaço úmido

Para o cálculo da geração de bagaço úmido foi suposto um regime de

trabalho da sala de brassagem de 26 dias, com produção de 8 fabricos diários, onde

cada fabrico foi produzido com 11.000 kg de malte moído gerando na filtração

13.200 kg de bagaço de malte úmido.

O fator utilizado para o cálculo da geração do bagaço foi o apresentado por

Fischer (1996), onde 100 kg de malte moído equivale a 120 kg de bagaço de malte

úmido.

Foi utilizada a equação abaixo para o cálculo da geração diária do bagaço de

malte úmido.

GBUD = PFD x GBU (Eq. 4.8)

Onde,

GBUD = Geração de bagaço úmido diário, em (kg.dia-1)

PFD = Produção de fabrico diário, em (fabricos por dia)

76

GBUF = Geração de bagaço úmido por fabrico, em (kg por fabrico)

Já para a geração mensal do bagaço de malte úmido foi utilizada a equação

abaixo.

GBUM = GBUD x nº de dias (Eq. 4.9)

Onde,

GBUM = Geração de bagaço úmido mensal, em (kcal.mês-1)

GBUD = Geração de bagaço úmido diário, em (kg.dia-1)

Nº de dias = dias trabalhados por mês.

De acordo com as informações obtidas da empresa em estudo, a tonelada do

bagaço úmido é vendida a R$ 50,00. Logo, multiplicando a quantidade de bagaço

úmido gerado por mês pelo preço de venda obtemos o lucro mensal que a planta

tem com a venda desse subproduto.

4.5.5. Cálculo da produção de bagaço de malte seco

Para o cálculo da produção de bagaço seco foi considerado apenas 50% da

geração de bagaço úmido, sendo que os outros 50% serão destinados a ração

animal, com isso foi utilizado à equação abaixo:

PBSM = GBUM – (GBUM x PM) (Eq. 4.10)

Onde,

PBSM = Produção de bagaço seco mensal, em (kg.mês-1)

GBUM = Geração de bagaço úmido mensal (apenas 50%), em (kg.mês-1)

PM = Perda de massa na secagem, em (%)

Para o cálculo da produção anual foi multiplicado a PBSM por 12.

77

4.5.6. Regime de trabalho entre as caldeiras em funcionamento

Para a simulação do melhor regime de trabalho (RT) entre as caldeiras em

funcionamento (gás natural e biomassa) foram utilizados dois critérios.

1º Critério: Foram realizados cálculos para os três regimes de trabalho propostos

em função do número de dias trabalhado por mês como mostra a tabela abaixo.

Tabela 1. Regimes de trabalhos propostos.

Caldeiras Regime de trabalho 1

Regime de trabalho 2

Regime de trabalho 3

Gás Natural nº de dias de cada

mês x 80% nº de dias de cada


mês x 60%

Biomassa nº de dias de cada



mês x 40%

*O número de dias de cada mês será de acordo com o calendário do ano de 2010.

Os regimes de trabalho acima foram escolhidos levando em consideração a

capacidade energética das caldeiras e a quantidade de combustível (biomassa)

disponível para suprir a demanda requerida.

2º Critério: Foram estipulados os consumos de gás natural e biomassa necessários

para suprir as demandas requeridas pelos regimes de trabalho 1, 2 e 3. Para o

cálculo do consumo foi utilizada a equação referência na seção 4.5.2. fazendo a

modificação do valor do PCS para a biomassa.

Foi realizada a simulação do custo com o consumo de gás natural apenas

para o regime de trabalho escolhido seguindo os métodos referenciados na seção

4.5.3.

78

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1. COMPOSIÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DO BAGAÇO DE MALTE

A determinação físico-química do bagaço de malte foi realizada de acordo

com os métodos referenciados na seção 4.2. As análises descritas a seguir foram

todas feitas em triplicata. Portanto, o valor final de cada análise corresponde à média

das três repetições. A Tabela 2 ilustra os resultados obtidos:

Tabela 2. Composição físico-química do bagaço de malte (b.u).

Análises Resultados* Unidade

Umidade 75,45 g.100g-1

Minerais Totais 1,29 g.100g-1

Carboidratos 15,46 g.100g-1

Proteínas Totais 5,37 g.100g-1

Gorduras Totais 2,43 g.100g-1

Fibra Bruta 3,98 g.100g-1

Energia 105,19 Kcal.100g-1

*Valores referentes à amostra expressa em porcentagem (g.100g-1

) do produto em base úmida.

Comparando os resultados da Tabela 2 aos obtidos por Murdock et. al.

(1981), Polan et. al. (1985), Rogers et. al. (1986), NRC (1986) e Costa et. al. (1994)

observa-se que o conteúdo de proteínas totais, gorduras totais, fibra bruta e minerais

totais são inferiores ao da literatura. Os conteúdos de carboidratos e energia (em

b.u.) não foram encontrados na literatura. Ascheri (2007) encontrou valores de

minerais totais semelhantes aos encontrados neste estudo.

As diferenças apresentadas entre os valores obtidos neste estudo e os da

literatura são perfeitamente compreensíveis quando se sabe que a composição

centesimal do bagaço de malte é função de diversos fatores, tais como: variedade

da cevada, o tempo de colheita, os cereais utilizados na maltagem, o processo

tecnológico empregado na cervejaria, dentre outros.

Segundo Schmidt (1989), o bagaço de malte apresenta umidade em torno de

79%. De acordo com Ascheri et. al., (2007), o bagaço de malte caracteriza-se por ter

79

alto teor de umidade 86% (b.u.) que limita seu tempo útil até 30 dias para seu

consumo in natura. A elevada quantidade de água no resíduo úmido pode resultar

em outros fatores limitantes como a dificuldade no transporte a longa distância e

dificuldades no armazenamento. Muitos autores limitam a utilização deste

subproduto a determinadas distâncias das indústrias. Nas condições dos E.U.A.,

pesquisadores acreditam que o resíduo só é econômico até um raio de

aproximadamente 100 km das indústrias (EASTRIDGE, 1991; CHANDLER, 1997).

Mas se tratando das condições brasileiras, não é recomendado ultrapassar 50 km

(CHANDLER, 1990). A conservação deste material em propriedades rurais também

é considerada uma limitação. Allen (1997) cita os fungos e as leveduras como os

principais microrganismos responsáveis pela degradação do resíduo em condições

de aerobiose. A rápida biodegradação foi observada por Stern & Ziemer (1993), que

sugerem menores períodos de armazenamento; estudos em condições de aerobiose

aconselham períodos de no máximo 10 dias (JOHNSON, 1987).

As primeiras recomendações para o resíduo desidratado foi seu uso como

suplemento concentrado para animais em confinamentos. Segundo Morrison (1956),

o resíduo desidratado é menos palatável que outros alimentos, mas que pode ser

incorporado como parte dos ingredientes dos concentrados, pois tem menor custo

que os grãos. A influência do processo de secagem no bagaço de malte foi

verificada por López & Pascual (1981) onde encontraram uma variação na

composição química do bagaço de malte, com teores de matéria seca (MS) de

9,40% a 29,90%, proteína bruta (PB) de 26,20 a 34,80 % na MS e extrato etéreo

(EE) de 7,40 a 10,10% na MS. Cabral Filho (1999) e Geron (2007) encontraram

valores de carboidratos em massa seca de 0,42% e 7,90% respectivamente. Cabral

Filho (1999) encontrou valores de energia de 448,1 kcal.100g-1 expresso em massa

seca.

O método de conservação do bagaço de malte e sua utilização na

alimentação de vacas leiteiras foram avaliados por Johnson et. al. (1987) que

observaram um teor de MS, PB e fibra em detergente neutro (FDN) de 45,08%;

15,11% e 26,33% na MS, respectivamente. West et. al. (1994) avaliaram o bagaço

de malte na alimentação de vacas leiteiras (Jersey) e observaram uma composição

80

química com valores de MS, PB, EE, FDN e fibra em detergente ácido (FDA) de

24,40%; 29,60%; 6,80%; 65,50% e 22,70% na MS, respectivamente. A piscicultura

também é uma alternativa produtiva dada a este subproduto, podendo ser utilizado

na alimentação de peixes, especialmente as espécies de tambaqui e curimatã. Em

um projeto ambiental, realizado no município maranhense de Vitória do Mearim-MA,

no Pesqueiro de São Raimundo, os peixes são alimentados com o bagaço de malte

sem a adição de outro complemento alimentar, exibindo uma produção anual de 600

t.ano-1 com 10 t dia deste bagaço (BORGES, 2005). Borges (2005) relata ainda que

em dietas para aves e suínos, o bagaço apresenta em pequenas proporções quanto

a sua utilização. Para as rações de engorda de leitões, o bagaço de malte entra com

um percentual de 4%, demonstrando uma eficiência em ganhos de produtividade,

apesar de sua pequena participação; nas aves esse percentual vai até 10% em

rações para frangos de corte. Experimentos realizados com aves de capoeira e

porcos foram realizados na cidade de Camarões-África, em que incorporaram 20 a

30% de bagaço de malte na alimentação de aves de capoeira e 30 a 50% nas de

porco, fazendo um complemento com milho e bagaço de algodão (MEFFJA, 2003).

O bagaço de malte tem sido comparado com vários outros subprodutos como

casca de trigo, bagaço de cana, polpa de beterraba, polpa cítrica, casca de arroz,

glúten de milho, farelo de glúten de milho, casca de soja e grãos de destilados

(WESTENDORF & WOHLT, 2002). Os teores de minerais totais da amostra

analisada resultaram em 1,29%, bem próximo dos apresentados por Carvalho et. al.

(2006) para o bagaço de cana 1,22%. Segundo Salinas (2002), os resultados da

característica mineral de uma amostra vegetal são determinados pelo solo onde

crescem. De forma geral o subproduto estudado pode ser tido como fonte importante

de carboidrato, pois apresenta valor semelhante ao de alimentos tradicionais, como

o farelo de algodão (19,21%), glúten de milho (19,98%) e casca de soja (17,65%),

valores expressos na matéria seca encontrados por Rocha Júnior et. al., (2002).

O uso do bagaço de malte a na alimentação animal apresenta limitações,

como o alto teor de umidade, apresentando teores de matéria seca geralmente

baixas. Apresenta também quantidade de proteínas totais insuficientes para

alimentação animal, mas na forma seca torna-se uma fonte rica em proteínas. Logo,

81

podemos perceber que para um bom aproveitamento do bagaço de malte na

alimentação animal este deve sofre um processo de secagem para se conseguir

quantidades satisfatórias de nutrientes para sua nutrição.

Apesar da grande aplicação do bagaço de malte para ração animal, o mesmo

também pode ser utilizado para alimentação humana, segundo Dobrzanski et. al.

(2008), o alto valor de fibras e os resíduos de proteínas e açúcares tornam este

bagaço com potencial de utilização em produtos elaborados na panificação, como

pães de forma e biscoitos, onde o incremento principalmente em fibras traz

benefícios ao consumidor do ponto de vista nutricional e de funcionalidade. Esses

autores analisaram e caracterizaram um pão com 10% de bagaço de malte (que

sofreu processo de secagem e moagem) e concluíram que após a adição do resíduo

o pão apresentou uma cor escura, com aparência de pão integral. Também ficou

mais ácido devido o bagaço apresentar um pH ácido. Mattos (2010) também

trabalhando com bagaço de malte caracterizou um pão com 30% de bagaço de

malte (sem sofrer processo de secagem e moagem) e conluio que após a adição do

resíduo o pão apresentou aparência e textura semelhantes à de um pão integral.

Observou também através de análise sensorial um sabor acentuado de fermento.

Como foram obtidos poucos dados na literatura sobre a utilização do bagaço

de malte na alimentação humana os dados da Tabela 2 foram comparados com os

dados de alguns alimentos consumidos no dia a dia. O Quadro 14 ilustra os

resultados obtidos pela (Lima, et. al., 2006) de outros alimentos, para efeitos

comparativos com os dados referentes aos do bagaço de malte úmido.

82

Quadro 14. Determinação físico-química de outros tipos de alimentos.

Determinação Umidade

(%)

Minerais Totais

(g)

Carboidratos (g)

Proteínas Totais (g)

Gorduras Totais (g)

Fibra Bruta

(g)

Energia (kcal)

Milho verde cru 65,3 0,7 28,6 6,6 0,6 3,9 138,0

Tomate 95,1 0,5 3,1 1,1 0,2 1,2 15,0

Pimentão verde cru 93,5 0,4 4,9 1,1 0,2 2,6 21,0

Abacate 83,8 0,5 6,0 1,2 8,4 6,3 96,0

Abacaxi 86,3 0,4 12,3 0,9 0,1 1,0 48,0

Caju 88,1 0,3 10,3 1,0 0,3 1,7 43,0

Jaca 75,1 0,8 22,5 1,4 0,3 2,4 88,0

Pinha 75,0 0,7 22,4 1,5 0,3 3,4 88,0

Arroz carreteiro 68,0 2,4 11,6 10,8 7,1 1,5 154,0

Ervilha 76,8 1,0 14,2 7,5 0,5 9,7 88,0

Fonte: LIMA, et. al. 2006.

Comparando os resultados da Tabela 2 aos obtidos por Lima et. al. (2006),

observa-se que o conteúdo de minerais totais e gorduras totais do bagaço de malte

são muito superiores aos encontrados por Lima et. al. (2006), com exceção do arroz

carreteiro e do abacate.

O valor de proteínas totais encontrado neste trabalho foi inferior aos

encontrados por Lima et. al. (2006), para o milho verde cru, arroz carreteiro e ervilha

e superior ao tomate, pimentão, abacate, abacaxi, caju, jaca e pinha. O bagaço de

malte foi superior também no conteúdo de fibra bruta, ficando abaixo apenas do

abacate e da ervilha.

Tanto na Tabela 2 como o Quadro 14 os conteúdos de carboidratos são os

que se apresentam em maior quantidade, o valor encontrado para o bagaço de

malte foi superior em 70% maior aos valores encontrados por Lima et. al. (2006),

ficando abaixo apenas do milho verde cru, jaca e pinha.

As diferenças apresentadas entre os valores obtidos neste estudo e os da

literatura são perfeitamente compreensíveis quando se sabe que esses parâmetros

são variáveis de acordo com composição físico química das matérias-primas.

A comparação dos dados obtidos com o Quadro 14 nos mostra que o bagaço

de malte úmido pode ser utilizado como alimento humano uma vez que apresenta

83

composição similar e em alguns casos superior a outros alimentos normalmente

consumidos pelo ser humano. Observamos também de acordo com as discussões

acima que a quantidade de nutrientes do bagaço de malte aumenta com a redução

da umidade tonando esse subproduto mais atraente para o consumo.

5.2. CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA DO BAGAÇO DE MALTE

Os valores médios obtidos para os teores de materiais voláteis, cinzas e

carbono fixo, são apresentados na Tabela 3. As análises descritas a seguir foram

todas feitas em triplicata. Portanto, o valor final de cada análise corresponde à média

das três repetições.

Tabela 3. Valores médios dos materiais voláteis (MV), cinzas (Cz) e carbono fixo (CF).

Análise imediata

Materiais Voláteis (%) 95,95

Cinzas (%) 0,74

Carbono Fixo (%) 3,31

Analisando os resultados da Tabela 3 acima, podemos perceber o elevado

percentual de materiais voláteis e o baixo percentual de cinzas e carbono fixo.

Combustíveis com alto índice de carbono fixo apresentam queima mais lenta,

implicando maior tempo de residência nos aparelhos de queima, em comparação

com outros que tenham menor teor de carbono fixo (BRITO; BARRICHELLO, 1982).

A composição dos voláteis é de extrema importância na determinação dos

produtos finais da combustão e na estimativa da energia liberada no processo.

Também o teor de voláteis tem um papel importante durante a ignição e as etapas

iniciais da combustão de combustíveis sólidos. Assim, o bagaço de malte apresenta

uma queima bastante rápida, com intensa liberação da fração volátil e muito pouco

resíduo, indicando baixo rendimento para carbonização. Segundo Scala (1997) a

combustão da matéria volátil contribui de um modo significativo para a quantidade

de calor libertado durante a combustão de biomassa, pois esta representa 50-70%

em base seca, da massa da biomassa. Desta forma, a localização da libertação e

84

combustão da matéria volátil condiciona de forma significativa o perfil de

temperaturas ao longo do reator, a formação dos poluentes, a operação do reator,

bem como o dimensionamento e a localização das superfícies de transferência de

calor.

Ainda analisando a Tabela 3, podemos observar que o teor de cinzas para o

bagaço de malte foi de 0,74% o que é muito satisfatório por não prejudicar caldeiras

e fornalhas, isso significa uma pequena quantidade de minerais presentes na

biomassa. Segundo Oliveira, Gomes & Almeida (1982), o teor de cinza não sofre

nenhuma influência em relação aos fatores umidade e temperatura. Almeida (1983),

estudando o efeito da temperatura sobre as propriedades dos produtos da

carbonização não encontrou influência sobre o teor de cinza, o mesmo acontecendo

com Numazawa (1986), estudando 3 espécies da Amazônia. Quanto maior a

proporção de matérias minerais no material, maior será a percentagem de cinzas no

carvão e menor o poder calorífico (BOAS et. al. 2010).

Pera (1990) referencia para a borra de café valores de umidade de 78,90%,

materiais voláteis de 16,90%, cinzas de 0,86% e carbono fixo de 3,29%. Seebaluck

et. al. (2007) estudando o bagaço de cana com 50% de umidade encontrou valores

de materiais voláteis de 37%, cinzas de 1,5% e carbono fixo de 11,5%. Vale et.

al.(2007) analisando a casca de café obteve valores de 75,73% de materiais

voláteis, 13,96% de cinzas e 10,31% de carbono fixo. Teixeira (2003) estudando o

mesocarpo e a castanha do babaçu obteve valores de 94,62% e 93,78% de

materiais voláteis, 0,88% e 1,69% de cinzas e 4,66% e 4,53% de carbono fixo

respectivamente. Cortez & Lora (1997) encontraram para a palha de arroz e casca

de coco materiais voláteis de 65,47% e 67,95%, cinzas 17,89% e 8,25% e carbono

fixo de 16,67% e 23,80% respectivamente.

Comparando os resultados da Tabela 3 aos do Quadro 8, podemos perceber

que os teores de materiais voláteis encontrados foram inferiores aos observados

para o bagaço de malte. Já em relação ao carbono fixo e as cinzas o bagaço de

malte apresentou valores inferiores com exceção das cinzas da madeira de faia que

foi de 0,4%.

85

Ao analisar o teor de carbono fixo no carvão da madeira de eucalipto Trugilho

et. al. (2001) encontraram valores variando entre 78,2 e 81,5%. Baer Filho (2008),

trabalhando com resíduos de macaúba obteve um teor de carbono fixo para o

endocarpo de 86,51 ± 0,21%. Podemos perceber que as biomassas em geral

apresentam quantidade de carbono fixo inferiores aos carvões vegetais e quantidade

de materiais voláteis superiores. Segundo Ideias (2008) as partículas de biomassa,

apresentam tipicamente diâmetros muito superiores aos apresentados pelas

partículas de carvão. Apresentam também teores em matéria volátil e de

heterogeneidade na constituição, superiores aos do carvão.

Em relação ao conteúdo energético, a biomassa quando carbonizada

apresenta um aumento no poder calorífico devido à modificação das substâncias

químicas que a compõem, tornando-se mais energética. Durante o processo de

carbonização, quanto maior a exposição do material ao tempo e temperatura, maior

será à eliminação das matérias voláteis, refletindo diretamente no aumento do teor

de carbono fixo.

Os resultados encontrados na Tabela 3 estão relacionados diretamente com a

utilização do combustível e são importantes para o cálculo do projeto da fornalha e

das quantidades necessárias de ar primário e secundário em função da

percentagem de voláteis presentes no combustível.

5.3. VARIAÇÃO DO PODER CALORÍFICO SUPERIOR EM FUNÇÃO DOS TEORES

DE UMIDADE E DENSIDADE.

Na Tabela 4, podem-se observar os valores médios dos teores de umidade,

densidades e poder calorífico superior do bagaço de malte.

86

Tabela 4. Valores médios dos teores de umidade, densidades e poder calorífico superior.

Umidade (%)

Densidade (kg.m-3)

Poder Calorífico Superior (kcal.kg-1)

50 219,0 2.656,0

40 161,1 3.687,0

30 171,0 4.037,0

20 117,2 4.697,0

15 123,0 5.026,0

Apresentam-se na Tabela 4 os valores médios de poder calorífico superior em

cada nível de umidade e, como esperado, nota-se considerável acréscimo com a

diminuição da umidade. Podemos verificar que tivemos PCS variando de 2.656

kcal.kg-1 a 5.026 kcal.kg-1 para as umidades de 50% e 15% respectivamente. O

teor de umidade é um fator de grande importância no uso da biomassa como

combustível, pois apresenta uma relação inversa com o poder calorífico.

Observa-se que, os bagaços de malte com 15% e 30% de umidade

apresentaram maior densidade do que os BM com 20% e 30% de umidade

respectivamente. Esse comportamento pode ter sido promovido uma vez que as

partículas do bagaço de malte não são uniformes, promovendo assim uma variação

na compactação dessas amostras. Devido ao seu arranjo não uniforme pode ter

ocorrido uma concentração de partículas menores nas amostras com 15% e 30% de

umidade e de partículas maiores nas amostras com 20% e 40% de umidade,

ocasionando assim, essa diferença. Observa-se também que a densidade tende a

aumentar com o acréscimo da umidade, mesmo apresentando algumas diferenças

entre as umidades. Em geral, quanto menor a granulometria média do material,

maior será a densidade do granel, pois há uma maior compactação das partículas

no recipiente em que a densidade está sendo determinada (Vale et. al., 2011).

O teor de umidade é um fator de grande importância no uso da biomassa

como combustível, pois prejudica o armazenamento, uma vez que pode ocasionar a

proliferação de fungos e a degradação do material; além de elevar os custos de

transporte. O custo do transporte está associado à densidade, onde biomassas

leves são pagas por metro cúbico (Albuquerque, 2006) e as pesadas por tonelada.

87

As de menor custo de transporte são as mais densas, dessa forma, os valores

baixos encontrados, principalmente para as amostras com 15% e 20% de umidade,

podem implicar maiores custos de transporte e dificuldades no manejo do resíduo,

caso não seja feita uma compactação. Além disso, quanto maior o conteúdo de

umidade da amostra, menor é o seu poder de combustão, devido ao processo de

evaporação da umidade, o qual absorve energia em combustão. Farinhaque (1981),

em um estudo sobre a influência da umidade no poder calorífico da madeira de

bracatinga, afirma que na combustão o teor de umidade não deve estar acima de

25% de umidade, pois umidades elevadas reduzem o valor do calor de combustão, a

temperatura da câmara de queima e a temperatura dos gases de escape.

Comparando os resultados de umidade e densidade da Tabela 4 com outras

biomassas, observa-se que o bagaço com 15% de umidade apresenta densidade

inferior a casca de café (167 kg.m-3), casca de arroz (140 kg.m-3), palha de trigo (160

kg.m-3), casca de amendoim (140 kg.m-3), casca de coco de babaçu (180%), palha

de cacau (150) e pó de tabaco (120 kg.m-3) com umidades de 16%, 12%, 12%, 10%,

15%, 10% e 5% respectivamente (VALE et. al., 2007; PERA, 1990). Já o bagaço

com 50% de umidade apresentou densidade superior ao bagaço de cana (120 kg.m-

3) com mesma umidade (PETROBRÁS, 1982) e inferior a casca de pinho (360 kg.m-

3) com mesma umidade (PERA, 1990).

A quantidade de calor que pode ser disponibilizada por unidade volumétrica

de bagaço de malte seco nas condições em que ele é produzido (umidade em base

seca de 50%, 40%, 30% 20% e 15%) é de 581.607 kcal.m-3, 594.076 kcal.m-3,

690.126 kcal.m-3, 550.638 kcal.m-3 e 617.746 kcal.m-3 respectivamente. Dessa forma

há uma otimização do espaço dentro dos aparelhos de queima ao utilizar o bagaço

com 30% de umidade em relação ao bagaço com 15% de umidade, pois haverá

maior produção de calor, por unidade de volume.

Uma tonelada de bagaço de malte produzido nas condições de umidade

estudadas terá um poder energético variando de 2.656.145 kcal a 5.025.594 kcal e

pode ser utilizado como biocombustível não só para gerar calor em fornalhas, como

também gerar energia elétrica em pequenas comunidades, onde a produção desse

88

subproduto seja significativa. Na ilha de Cuba isso já é uma realidade, segundo

Suarez & Luengo (2003), que registra o uso de casca de café para produção de

energia, o que indica que, nos países em desenvolvimento, a biomassa de resíduo

agrícola pode se transformar numa importante fonte energética para as

comunidades.

5.3.1. Estimativa do poder calorífico superior.

Os gráficos 1 e 2 apresentam o comportamento do poder calorífico superior

em função dos teores de umidade e densidades.

Gráfico 1. Poder calorífico superior em função do teor de umidade.

Gráfico 2. Poder calorífico superior em função da densidade.

2.500,0

3.000,0

3.500,0

4.000,0

4.500,0

5.000,0

10% 20% 30% 40% 50%

Pod

er C

alorí

fico

Su

per

ior

(kca

l/k

g)

Teor de Umidade (%)

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

5.000

5.500

100 120 140 160 180 200 220 240 Pod

er C

alo

rífi

co S

up

erio

r (k

cal/

kg

)

Densidade (kg/m³)

89

As equações de regressão, com seus respectivos coeficientes de

determinação (R²) são mostrados na Tabela 5. Quando se analisa o poder calorífico

superior, 98% de sua variação é explicada pela variação da umidade e 92% pela

variação da densidade.

Tabela 5. Equações de regressão para poder calorífico superior.

Relação Equação de

regressão

Coeficiente de

determinação

(1) PCS=f(TU) PCS = - 6396,9(TU) + 6003,5 (3) R² = 0,98

(2) PCS=f(D) PCS = - 21,635(D) + 7444 (4) R² = 0,92

(1) TU: Teor de umidade;

(2) D: Densidade;

(3) Significativo a 5% de probabilidade;

(4) Significativo a 3% de probabilidade.

De acordo com os resultados das análises de variâncias das regressões

encontradas na Tabela 6, observa-se a significância dos modelos matemáticos

propostos: poder calorífico superior em função do teor de umidade e poder calorífico

superior em função da densidade.

Tabela 6. Análise de variância das regressões do poder calorífico superior em função da umidade e da densidade do bagaço de malte.

Fonte da variação SQ gl MQ F valor-P F crítico

Entre grupos 9692503 4 2423126 86,81 1,01 E-07 3,48

Dentro dos grupos 279117,9 10 27911,79

Total 9971621 14

*Significativo a 5% de probabilidade.

Os valores médios do poderes caloríficos superiores determinados em bomba

calorimétrica e os valores estimados a partir das equações propostas estão

apresentados na Tabela 7.

Tabela 7. Valores médios dos poderes caloríficos superiores (PCS) estimados e determinados para o bagaço de malte.

Umidade 50% 40% 30% 20% 15% (1) PCS (kcal.kg-1) 2.656 a 3.687 a 4.037 a 4.696 a 5.026 a (2) PCS (kcal.kg-1) 2.805 a 3.445 a 4.084 a 4.724 a 5.044 a (3) PCS (kcal.kg-1) 2.707 a 3.958 b 3.745 a 4.907 a 4.785 a

(1) PCS obtido pela bomba calorimétrica;

(2) PCS = -6396,9(TU) + 6003,5;

(3) PCS = -21,635(D) + 7444.

90

Os valores dos poderes caloríficos superiores obtidos pelas equações

propostas, a 50%, 30%, 20% e 15% de umidade, são estatisticamente iguais aos

valores do poder calorífico obtidos em bomba calorimétrica, ao nível de 5% de

probabilidade pelo teste t. Portanto, para uma determinação do poder calorífico

superior do bagaço de malte produzidos nesses níveis de umidades, pode-se usar

qualquer uma das duas fórmulas.

5.4. COMPARAÇÃO DO PODER CALORÍFICO SUPERIOR DO BAGAÇO DE

MALTE COM OUTROS COMBUSTÍVEIS

Comparando o poder calorífico encontrado na Tabela 15 para os diferentes

níveis de umidade com outras biomassas podemos dizer que, o bagaço de malte

com 15% de umidade apresentou poder calorífico superior maior que a madeira de

Eucalyptus grandis (4.790 kcal.kg-1) segundo Jara (1989). Maior também que o

resíduo de madeira (Cedrelinga catenaeformis) 4.932 kcal.kg-1 encontrado por VALE

et. al. (2007).

O poder calorífico superior do BM com 20% de umidade é maior quando

comparado a outros resíduos, tais como: bambu com 4.458 kcal.kg-1 encontrado por

Brito et. al. (1987), casca de coco de babaçu com 4.500 kcal.kg-1 citado por Vale et.

al. (2007), bagaço de cana com 0% de umidade e PCS de 4.360 kcal.kg-1

encontrado por Silva (2008), madeira da espécie Pinho com 4.500 kcal.kg-1 (Pera,

1990), casca de amêndoas 4.490 kcal.kg-1, casca de sementes de girassol 4.299

kcal.kg-1 e caroço de azeitona 4.538 kcal.kg-1 segundo DERMIBAS (2006).

O PCS do bagaço de malte para a umidade de 30% é maior que o da casca

de café encontrado por Vale et. al. (2007) que foi de 3.933 kcal.kg-1 com 13,5% de

umidade. Superior também aos das madeiras das espécies Canelinha e Peroba com

4.010 kcal.kg-1 e 3.720 kcal.kg-1 respectivamente (PERA, 1990); bagaço de cana

com 10% de umidade e 3.985 kcal.kg-1 (SILVA, 2008); caroço de azeitona (3.712

kcal.kg-1) (DERMIBAS, 2006).

91

Segundo Pera (1990), as madeiras bracatinga e acácia negra apresentam

PCS de 3.300 kcal.kg-1 e 3.450 kcal.kg-1 respectivamente, a casca de arroz e a palha

de trigo ambos com 12% de umidade PCS de 3.300 kcal.kg-1, a casca de amendoim

e a palha de cacau ambos com 10% de umidade PCS de 3.400 kcal.kg-1 e 3.500

kcal.kg-1 respectivamente e o pó de tabaco com 5% de umidade 3.000 kcal.kg-1. Já

Vale et. al. (2011) referenciou valores de 2.800 kcal.kg-1, 2.900 kcal.kg-1 e 3.500

kcal.kg-1 para a semente de algodão, sabugo de milho e palha de arroz

respectivamente. Silva (2008), estudando o PCS do bagaço de cana encontrou para

as umidades de 20% e 30% os valores de 3.641 kcal.kg-1 e 3.145 kcal.kg-1

respectivamente. Todos os valores referenciados acima foram inferiores ao poder

calorífico superior encontrado para o bagaço de malte com 40% de umidade.

Observa-se que o PCS do bagaço de cana com 50% de umidade encontrado

por Silva (2008) possui um poder calorífico superior de 2.275 kcal.kg-1, menor que o

poder calorífico superior encontrado para o BM com 50% de umidade.

A torta de pinhão manso composta de endocarpo (casca) e albúmen

apresenta PCS médio de 5.122 kcal.kg-1, a borra de café 5.500 kcal.kg-1, o coco-da-

baía verde (Cocos nucifera) 5.636 kcal.kg-1, o carvão vegetal com umidade de 6%

(6.480 kcal.kg-1), a madeira de bracatinga 7.434 kcal.kg-1 (Vale et. al, 2011; Vale et.

al., 2007; Pera, 1990; Sturion e Silva 1989), todas essas biomassas superam os

poderes caloríficos encontrados nesta pesquisa.

Já, comparando a biomassa estudada com os combustíveis fósseis

normalmente utilizados para queima, podemos perceber que, o gás natural

apresenta poder calorífico superior de 9.400 kcal.m-3 ou 11.898 kcal.kg-1, o coque de

6.640 kcal.kg-1 e o gás liquefeito de petróleo de 11.920 kcal.kg-1 segundo bibliografia

consulta, são superiores ao poder calorífico do bagaço de malte. Sabe-se que a

capacidade energética dos combustíveis fósseis é maior que a da biomassa, mas

em contra partida, os impactos ambientais causados são maiores, comparados as

biomassas.

92

5.5. ESTUDO DA VIABILIDADE ECONÔMICA

5.5.1. Diagnóstico energético da planta em estudo

O volume de produção foi encontrado de acordo com os métodos

referenciados na seção 4.5.1. O Gráfico 3 ilustra os resultados obtidos:

Gráfico 3. Volume de produção referente ao ano de 2009.

*Volume estimado de acordo com dados obtidos na visita.

De acordo com o Gráfico 3 acima, podemos verificar que tivemos volumes de

produções mensais variando de 1,96E+05 a 3,00E+05 Hl, nos meses de abril e

setembro respectivamente. Podemos verificar também que os meses de baixa

produção foram abril, junho e julho com volumes menores que 230.000 Hl e os de

alta produção os demais meses.

A Tabela 8 mostra os resultados do consumo de energia térmica por mês de

produção.

Volume de produção (Hl)

93

Tabela 8. Levantamento de consumo de energia térmica.

Meses Consumo de Energia

Térmica (Gcal) *

Janeiro 5.937,0

Fevereiro 5.954,0

Março 5.819,0

Abril 4.072,0

Maio 5.555,0

Junho 4.337,0

Julho 4.556,0

Agosto 4.962,0

Setembro 6.221,0

Outubro 5.934,0

Novembro 6.141,0

Dezembro 6.026,0

Total 65.520,0

*Valores calculados segundo dados coletados.

De acordo com a Tabela 8 acima, podemos verificar que nos meses de baixa

produção os consumos de energia térmica foram menores quando comparado com

os de alta produção.

Ainda analisando a Tabela 8 acima e fazendo uma distribuição do consumo

de energia térmica total por área encontramos que a sala de cozimento é

responsável pelo consumo de 32.760,0 Gcal, a área de envase 19.656,0 Gcal e as

demais etapas de limpeza e higienização 13.104,0 Gcal. Logo, podemos dizer que a

grande consumidora de vapor da empresa é a sala de brassagem.

Segundo o Relatório de Sustentabilidade da Ambev (2008) umas das

inovações bem-sucedidas para economizar energia, é o processo MSB (Multiple

Step Boiling), durante a produção da cerveja. Esse processo consiste na alteração

da curva de cozimento reduzindo a taxa de evaporação da água durante a fervura

do mosto, diminuindo o consumo de energia calorífica, sem alterar o produto final.

94

5.5.2. Configuração atual de geração e proposta de cogeração

A capacidade de produção de energia térmica das caldeiras foi realizada de

acordo com os métodos referenciados na seção 4.5.2. A Tabela 9 ilustra os

resultados obtidos:

Tabela 9. Capacidade energética mensal e anual das caldeiras em estudo.

Caldeiras Capacidade (Gcal.mês-1) Capacidade (Gcal.ano-1)

Gás Natural 5.321,0 63.863,0

Biomassa 4.792,0 57.510,0

Total 10.114,0 121.374,0

De acordo com a Tabela 9 acima, podemos verificar que a caldeira de gás

natural apresenta uma capacidade energética maior que a caldeira de biomassa.

Comparando as Tabelas 9 e 8, é possível perceber que, a caldeira de GN

trabalhando sozinha supre 97% da demanda energética anual enquanto a caldeira

de biomassa apenas 88%. Logo, as caldeiras devem trabalhar simultaneamente

para suprir 100% da demanda exigida.

Ainda analisando a Tabela 9 acima, podemos verificar que a capacidade

anual total das duas caldeiras é de 121.374,0 Gcal, ou seja, 85 % maior que a

demanda energética requerida pela empresa no ano de 2009.

A Tabela 10 mostra o volume de gás natural consumido pela empresa no ano

de 2009 para produzir 31,54 E+05 Hl de cerveja.

95

Tabela 10. Simulação do volume de gás natural consumido pela empresa no ano de 2009.

Meses Consumo de

Gás Natural (m³)

Janeiro 6,33E+05

Fevereiro 6,19E+05

Março 4,33E+05

Abril 5,91E+05

Maio 4,61E+05

Junho 4,85E+05

Julho 5,28E+05

Agosto 6,62E+05

Setembro 6,31E+05

Outubro 6,53E+05

Novembro 6,41E+05

Dezembro 6,33E+05

Total 69,70 E+05

De acordo com a Tabela 10 acima, podemos verificar que tivemos consumo

variando de 4,33E+05 a 6,62E+05 m³ por mês, nos meses de abril e setembro

respectivamente.

Ainda analisando a Tabela 10 acima, podemos verificar que foi consumido um

volume de 69,70 E+05 m³ por ano de gás natural.

5.5.3. Custo com o consumo do gás natural

A determinação do volume semanal foi realizada de acordo com os métodos

referenciados na seção 4.5.3. A Tabela 11 ilustra os resultados obtidos:

96

Tabela 11. Volume de gás natural consumido por semana.

Meses Volume

(m³ por semana)

Janeiro 1,43E+05

Fevereiro 1,58E+05

Março 1,40E+05

Abril 1,01E+05

Maio 1,33E+05

Junho 1,08E+05

Julho 1,09E+05

Agosto 1,19E+05

Setembro 1,54E+05

Outubro 1,43E+05

Novembro 1,52E+05

Dezembro 1,45E+05

De acordo com a Tabela 11 acima, podemos verificar que tivemos volumes

semanais variando de 1,01E+05 a 1,58E+05 m³, nos meses de abril e fevereiro

respectivamente. O mês de fevereiro apresentou maior volume semanal por seu mês

ter apenas 28 dias fazendo assim com que o volume se concentre quando dividido

pelo número de dias.

A partir dos volumes semanais encontrados na Tabela 11, obtiveram-se os

custos mensais e anuais com o gás natural (Tabela 12). Todos os meses ficaram

inclusos na classe industrial 4 com exceção do mês de abril que ficou na classe

industrial 3.

97

Tabela 12. Simulação do custo mensal e anual do consumo de gás natural para a configuração atual.

Meses Custo do GN

Janeiro R$ 679,57E+03

Fevereiro R$ 730,78E+03

Março R$ 670,41E+03

Abril R$ 537,27E+03

Maio R$ 649,78E+03

Junho R$ 565,88E+03

Julho R$ 571,70E+03

Agosto R$ 603,41E+03

Setembro R$ 717,97E+03

Outubro R$ 679,40E+03

Novembro R$ 711,54E+03

Dezembro R$ 686,51E+03

Total R$ 7.804,26E+03

De acordo com a Tabela 12 acima, podemos verificar que tivemos custos

variando de R$ 537,27E+03 a R$ 730,78E+03 nos meses de abril e fevereiro

respectivamente. A simulação mostra que no ano de 2009 foi gasto R$

7.804,26E+03 com gás natural.

Uma forma de reduzir esse custo é diminuindo o consumo de gás natural,

para isso se faz necessário o consumo de um combustível mais barato e que atenda

a demanda energética exigida. No item 4.5.2. foi sugerido a implantação de uma

caldeira de biomassa cujo combustível utilizado seria o bagaço de malte seco,

biomassa gerada na própria empresa. Utilizando a caldeira de biomassa no lugar de

uma de gás natural, reduzimos o consumo anual desse combustível.

Uma vez implanta a caldeira de biomassa, o consumo com gás natural pode

ser reduzido ainda mais, utilizando-se um regime de trabalho adequado entre as

duas caldeiras (gás natural e biomassa).

98

5.5.4. Geração de bagaço úmido

O cálculo da geração de bagaço úmido foi realizado de acordo com os

métodos referenciados na seção 4.5.4. A Tabela 13 ilustra os resultados obtidos:

Tabela 13. Geração de bagaço úmido.

Geração Quantidade

(kg)

Diária 105,60E+03

Mensal 2.745,60E+03

Os valores apresentados na Tabela 13 podem variar para mais ou menos de

acordo com a quantidade de malte moído utilizado nas fabricações.

A tabela 14 mostra a receita mensal e anual da empresa com a venda do

bagaço úmido para ração animal.

Tabela 14. Receita com a venda do bagaço úmido.

Receita

Mensal R$ 137,28E+03

Anual R$ 1.647,36E+03

De acordo com a Tabela 14 acima, podemos verificar que a venda do bagaço

úmido gera uma receita anual de RS 1.647,36E+03. Essa comercialização é uma

forma de incrementar a receita da empresa.

Segundo o Relatório de Sustentabilidade da Ambev (2007) a reutilização

desse subproduto depende de sua qualidade. Por isso, são monitorados os níveis de

umidade e proteína durante a armazenagem e realizadas análises microbiológicas

do material.

99

5.5.5. Produção de bagaço de malte seco

O cálculo da produção de bagaço seco foi realizado de acordo com os

métodos referenciados na seção 4.5.5. A Tabela 15 ilustra os resultados obtidos.

Tabela 15. Produção mensal de bagaço seco.

Umidade Produção Mensal

(kg) Produção Anual

(kg)

15% 27,45 x 104 329,47 x 104

20% 35,69 x 104 428,31 x 104

30% 52,16 x 104 625,99 x 104

40% 68,64 x 104 823,68 x 104

50% 86,48 x 104 1.037,83 x 104

De acordo com a Tabela 15 acima, podemos verificar que tivemos valores

variando de 27,45 x 104 a 86,48 x 10

4 kg por mês e 329,47 x 104 a 1.037,83 x 10

4 kg por

ano para as umidades de 15% e 50% respectivamente.

De acordo com a tabela acima, podemos verificar que quanto maior a

umidade maior a produção de bagaço seco. Logo, umidades muito baixas irão

fornecer pequenas quantidades de bagaço.

5.5.6. Regime de trabalho entre as caldeiras em funcionamento

As simulações dos regimes de trabalhos foram realizadas de acordo com os

métodos referenciados na seção 4.5.6. Os gráficos abaixo ilustram os resultados

obtidos:

100

Gráfico 4. Simulação do regime de trabalho 1 entre as caldeiras em funcionamento.

*GN: Gás Natural.


*GN: Gás Natural.


GN: Gás Natural.

25 22 25 24 25 24 25 25 24 25 24 25

6 6

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

Caldeira de GN (80%) Caldeira de Biomassa (20%)

22 20 22 21 22 21 22 22 21 22 21 22

9 8

9 9 9 9 9 9 9 9 9 9


19 17 19 18 19 18 19 19 18 19 18 19

12 11

12 12 12 12 12 12 12 12 12 12


101

Pelos Gráficos 4, 5, e 6, observa-se que a caldeira de GN trabalhará mais

tempo que a caldeira de biomassa para os três regimes de trabalho propostos. O

inverso só poderia ocorrer se a produção de bagaço seco fosse maior.

O Gráfico 7 mostra a relação entre o consumo de GN requerido pelos

regimes de trabalho 1, 2 e 3 e o consumo de GN total que a caldeira pode suprir.

Gráfico 7. Relação entre o consumo de GN (RT 1, RT 2 e RT 3) e o consumo de GN suprido pela caldeira.

Analisando o Gráfico 7 é possível perceber que, nenhum dos regimes de

trabalhos propostos ultrapassou o volume total de GN suprido pela caldeira que é de

566.165 m³.mês-1. Logo, os três regimes propostos são viáveis para a caldeira de

gás natural.

Ainda analisando o Gráfico 7 é possível perceber que, o consumo de gás

natural foi menor para o RT 3 seguido pelo RT 2 sendo o RT 1 o maior consumidor.

Logo, podemos afirmar que o RT 3 apresentará um custo menor quando comparado

com os RT 2 e 1.

Os Gráficos 8, 9, 10, 11 e 12 mostram a relação entre o consumo de

biomassa requerido pelos regimes de trabalho 1, 2 e 3 e a produção de bagaço seco

para as umidade de 15%, 10%, 30%, 40% e 50%.

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

500.000

550.000

600.000

Vo

lum

e (

m³)

Consumo RT 1 Consumo RT 2 Consumo RT 3 Consumo GN

102

Gráfico 8. Relação entre o consumo de biomassa (RT 1, RT 2 e RT 3) e a produção de bagaço seco (BS) com 15% de umidade.


0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

500.000

Qu

anti

dad

e (k

g)

Consumo RT 1 Consumo RT 2 Consumo RT 3 Produção BS (15%)

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

500.000

550.000

600.000


103



0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

500.000

550.000

600.000

650.000

700.000


0 50.000

100.000 150.000 200.000 250.000 300.000 350.000 400.000 450.000 500.000 550.000 600.000 650.000 700.000 750.000

kg


104


As quantidades de bagaço seco produzidos mensalmente e suas respectivas

umidades estão descrita na Tabela 15.

Analisando os Gráficos 8 e 9 é possível perceber que, a produção de bagaço

seco supre na sua totalidade apenas o RT 1, tornando os demais regimes inviáveis

para os bagaços com umidade de 15% e 20% respectivamente.

Comparando os Gráficos 10, 11 e 12 é possível perceber que, a produção de

bagaço seco com umidades de 30% e 50%, suprem na sua totalidade os RT 1 e 2,

tornando RT 3 inviável. Já para o bagaço seco com 40% percebe-se que todos os

regimes foram viáveis.

Logo, com base nos resultados encontrados nos gráficos 7, 8, 9, 10, 11 e 12,

podemos afirmar que todos os regimes de trabalho sugeridos são viáveis e como a

proposta do trabalho é a redução do consumo de gás natural com a utilização da

biomassa bagaço de malte seco optou-se pela utilização do regime de trabalho 3,

onde teremos a utilização de 60% da caldeira de gás natural e 40% da caldeira e

biomassa.

0 50.000

100.000 150.000 200.000 250.000 300.000 350.000 400.000 450.000 500.000 550.000 600.000 650.000 700.000 750.000 800.000 850.000 900.000 950.000


105

A Tabela 16 mostra o custo mensal e anual com gás natural para a nova

configuração proposta.

Tabela 16. Simulação do custo mensal e anual do consumo de gás natural para a configuração proposta.

Comparando as Tabela 16 e 12 é possível perceber que, houve uma redução

de 49,98% nos custos com gás natural, ou seja, com a modificação da configuração

atual pela configuração proposta economizar-se-ia R$ 3.903,41E+03 por ano.

Vale salientar que com a mudança de configuração das caldeiras a margem

de lucro com a venda do bagaço úmido para ração animal diminui para R$ 823.680

por ano em virtude de 50% da geração do bagaço úmido ser destinada para geração

de energia. Mas essa receita pode aumentar com a venda do excedente do bagaço

seco gerado mensalmente, agregando ainda mais valor a esse subproduto uma vez

que ele está com sua umidade reduzida.

A Tabela 17 abaixo apresenta a quantidade de excedente de bagaço seco

gerado mensalmente.

Meses Custo GN

Janeiro R$ 365,52E+03

Fevereiro R$ 332,49E+03

Março R$ 358,42E+03

Abril R$ 261,01E+03

Maio R$ 342,46E+03

Junho R$ 277,52E+03

Julho R$ 282,03E+03

Agosto R$ 306,57E+03

Setembro R$ 322,93E+03

Outubro R$ 365,38E+03

Novembro R$ 318,15E+03

Dezembro R$ 370,89E+03

Total R$ 3.903,41E+03

106

Tabela 17. Quantidade de bagaço seco excedente com 40% de umidade.

Meses Consumo de

bagaço seco (kg) Produção de

bagaço seco (kg)

Excedentes (kg)

Janeiro 64,41 x 104 68,64 x 104 4,22 x 104

Fevereiro 64,60 x 104 68,64 x 104 4,03 x 104

Março 63,13 x 104 68,64 x 104 5,50 x 104

Abril 44,18 x 104 68,64 x 104 24,45 x 104

Maio 60,27 x 104 68,64 x 104 8,36 x 104

Junho 47,05 x 104 68,64 x 104 21,58 x 104

Julho 49,42 x 104 68,64 x 104 19,21 x 104

Agosto 53,83 x 104 68,64 x 104 14,80 x 104

Setembro 67,49 x 104 68,64 x 104 1,14 x 104

Outubro 64,38 x 104 68,64 x 104 4,25 x 104

Novembro 66,63 x 104 68,64 x 104 2,00 x 104

Dezembro 65,37 x 104 68,64 x 104 3,26 x 104

Total 71,08 x 104 82,36 x 104 112,85 x 104

De acordo com a Tabela 17 acima, podemos verificar que nos meses de abril,

junho, julho e agosto a geração de excedentes é bastante elevada quando

comparada com os demais meses. Esses excedentes são gerados pelo fato da

produção de bagaço seco ser maior que a demanda para consumo, isso acontece

porque nesse trabalho foi considerado a produção de bagaço seco igual para todos

os meses. Uma forma de reduzir esse excedente é variando a produção de bagaço

de acordo com o consumo mensal. Como a umidade desse bagaço estará

compreendida em 40% não é indicado seu armazenamento por longos períodos,

sendo assim, sugerisse a venda desse excedente para outras unidades

consumidoras de biomassa ou para ração animal.

A proposta desse trabalho é altamente sustentável, visto que, a geração de

bagaço de malte é inerente ao processo de produção de mosto que por sua vez está

vinculado ao processo de fabricação de cerveja. A empresa terá grande economia

após o retorno dos investimentos, podendo comercializar os créditos de carbono e

obter valores monetários consideráveis após implantação desta nobre reutilização

de energia. Considerando também que o grupo possui outras unidades para

fabricação de cerveja em outros estados e com salas de brassagens na mesma

configuração, este projeto poderá ser implantado em todas as unidades.

Ressaltando que algumas unidades já possuem caldeiras de biomassa, mas não

utilizam como combustível o bagaço de malte.

107

6. CONCLUSÃO

O bagaço de malte apresentou quantidades satisfatórias de carboidratos, fibra

bruta, gorduras totais, proteínas totais e minerais podendo ser utilizado tanto

para ração animal como para alimentação humana. Sendo que para ambos

seu aproveitamento é melhor se seguido de uma secagem reduzindo assim

sua umidade e conseqüentemente concentrando mais seus nutrientes.

A análise imediata apontou que o bagaço de malte apresenta uma queima

rápida devido ao seu elevado conteúdo de materiais voláteis.

Os resultados da análise calorimétrica demonstraram que para os diferentes

níveis de umidade o bagaço de malte pode ser adotado como combustível

sólido para geração de energia. Sendo o bagaço com 30% de umidade o que

apresentou maior quantidade de calor por unidade volumétrica.

De acordo com os resultados obtidos na viabilidade econômica é possível

aproveitar 50% do bagaço de malte gerado na sala de brassagem para fins

energéticos, todas as umidades estudadas foram viáveis para utilização na

caldeira de biomassa proposta, sendo o bagaço de malte com 40% de

umidade, o mais atrativo em função do regime de trabalho escolhido ser o

mais rentável. Outro fator importante nesse estudo é a dispensa com os

custos da biomassa utilizada, pois a mesma é gerada dentro da própria

empresa, dispensa também a necessidade do transporte dessa biomassa,

evitando custos com fretes e os riscos de acidentes ao longo do caminho.

Todas as formas de reutilização ou reaproveitamento de energia são

consideradas nobres e significativas, pois estamos diante de um grande problema

para desenvolver formas de preservar os recursos naturais e reduzir o impacto

causado pelos processos industriais.

108

7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Realizar a redução da umidade do bagaço de malte em prensa mecânica ao

invés de secador.

Estimar os custos da aquisição de uma caldeira de biomassa e de uma planta

de secagem.

Realizar a determinação do poder calorífico superior em outros níveis de

umidade e realizar a determinação do poder calorífico inferior.

109

8. REFERÊNCIAS

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