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Grupo Energia/Projeto Grupo Energia/Projeto EtanolEtanol

Grupo Energia - Projeto Grupo Energia - Projeto Etanol (MCT/NIPE)Etanol (MCT/NIPE)

O Setor Sucroalcooleiro e a Produção de Etanol.

Transformações após o Protocolo de Kioto

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Carlos Eduardo Vaz Rossell

Engenheiro Químico.Mestre e Doutor em Engenharia de Alimentos, UNICAMP.Grupo Energia-Projeto Etanol (MCT/NIPE)Caixa Postal 6192 - CEP 13084-971Campinas- SPFone (0xx19) 3512-1121

e-mail: [email protected]

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Protocolo de Kioto

Redução das emissões de gazes em 5% abaixo de 1990 até 2008-2012, pelos paises industrializados.•Redução das suas emissões em nível doméstico.•Redução através de "mecanismos flexíveis" (Comércio de Emissões, o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo e a Implementação Conjunta).

O Protocolo de Kioto não impõe novos compromissos para os países em desenvolvimento além daqueles estabelecidos na Convenção sobre o Clima das Nações Unidas de 1992.

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•Oportunidade para o Setor Sucroalcooleiro se afirmar como produtor de etanol, energia e outros produtos a partir de matérias primas agrícolas de origem renovável, operando dentro de um ciclo verde.

•Seqüestro efetivo do CO2 (Macedo et all).

•Balanço entre energia utilizada na agroindústria e a produzida é netamente positivo (Macedo et all).

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•Computando as emissões efetuadas no ciclo de produção de etanol a partir da cana de açúcar e as evitadas através do etanol carburante e o bagaço substitutivos de combustíveis de origem fóssil, chega-se a um seqüestro efetivo de CO2.

Emissões líquidas evitadas:

Na produção de AEAC: 0,221 Ton CO2 equiv./ TC

Na produção de AEHC: 0,147 Ton CO2 equiv./ TC

Etanol Anidro (AEAC) 2,6 a 2,7 Ton CO2 equiv./ m3 etanolEtanol hidratado (AEHC) 1,8 a 1,9 Ton CO2 equiv./ m3 etanol

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Seqüestro de dióxido de carbono (segundo Macedo et all)

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Balanço energético (agricultura e industria)

Consumida ProduzidaAgricultura 201.80 Industria 49.40 Etanol produzido 1921.30

Bagaço excedente 168.70

Totais 251.20 2090.00 (7300 MJ estão

disponíveis na cana colhida)

Produção/Consumo 8.3

(MJoule/TC)

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• Estágio atual: Usina com destilaria anexa para produção de açúcar e etanol com auto-suficiência energética.

• Próximo estagio: Produção máxima de etanol, geração de excedente de energia com aproveitamento máximo do bagaço e a palha de cana;

• Estagio futuro: Biorefinaria que produz, açúcar, etanol, energia e novos produtos a partir da cana

Expectativa de evolução

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RECEPÇÃO/PREPARO EXTRAÇÃO

GERAÇÃO DEVAPOR e

ELETRICIDADEPROCESSO

ÁLCOOL

PROCESSOAÇÚCAR

AÇÚCAR

ÁLCOOL

VINHAÇA

MELAÇO

CANA

BAGAÇO

CALDO

PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ÁLCOOL.

CALDO

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Composição da Cana de Açúcar após colheitaComposição da Cana de Açúcar após colheita

• Açúcar: 12-18%• Fibra: 12-14% (sem computar os resíduos de

colheita)• Cera 0,1-0,3%• Cinza: 2-3%

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Conversão da sacarose da cana da cana

Usina de açúcar•Açúcar: 120 kg/TC

•Ethanol do melaço: 7 l/TC

Açúcar / Etanol (50/50) (Usina com Destilaria anexa)•Açúcar: 67 kg/TC•Etanol: 42 l/TC

Etanol (Destilaria Autônoma)•Etanol: 85 l/TC

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Lavoura de Cana

BagaçoCana

Torta

Açúcar

Vinhaça

Etanol

Unidade de Vapor e Eletricidade

FabricaçãoAçúcar

Fábrica de Etanol Unidade de

HidróliseAçúcares

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Xaro

pe e

m

elaç

o

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BAGAÇO INTEGRAL FIBRA MEDULA

CELULOSE % 46,6 47,7 41,2

HEMICELULOSE % 25,2 25,0 26,0

LIGNINA % 20,7 19,5 21,7

LIGNOCELULÓSICOS 45%SÓLIDOS INSOLÚVEIS 2-3%SÓLIDOS SOLÚVEIS 2-3%UMIDADE 50%

COMPOSIÇÃO DO BAGAÇO DE CANA

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Bagaço excedente

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COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS RESÍDUOS DA COLHEITA DE CANA (Palha)

CELULOSE 45,1%

HEMICELULOSE 25,6%LIGNINA 12,7%OUTRAS MATÉRIAS ORGÂNICAS 4,3%

CINZA 8,0%UMIDADE 9,7%

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Palha de cana

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Abolição da queima de cana

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A HIDROLISE PODE SER FEITA EMPREGANDO DIVERSOS MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS

REQUERIMENTOS PARA AS MATERIAS PRIMAS BAIXO CUSTO

DISPONIBILIDADE

NO BRASIL A MATERIA PRIMA MAIS APROPRIADA É O BAGAÇO DE CANA

(FUTURAMENTE A PALHA)

NÃO REQUER PREPAROESTA DISPONIVEL EM GRANDES VOLUMES

ESTANDO DISPONIVEL NO LOCAL NÃO ENVOLE CUSTOS ADICIONAIS DE TRANSPORTE

SEU CUSTO É COMPARATIVAMENTE MENOR

COMPOSIÇÃO DO

BAGAÇO DE CANA HEMICELULOSE

CELULOSE

LIGNINA

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Kg Kg litroshidrolise fermentação

celulose 200 glicose 209 etanol 123hemicelulose 158

lignina 100 xiloseproteinas 17 arabinose 126 etanol 63

cinza 25agua 500 total 186

Potencial de conversão do Bagaço em etanol

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PROCESSOS DE HIDRÓLISE

Hidrólise Química

Hidrólise Enzimática

Prétratamentos

Solventeorgânico

Ácidoconcentrado

Ácidodiluído

TECNOLOGIADHR

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Processo DHR

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• Processo para hidrólise de bagaço que combina pré-tratamento organosolv e hidrólise com ácidos diluídos;

• Características: dissolução total do bagaço, reação rápida num único reator a pressão de 20-25 Bar e 180-200 ºC;

• Estagio atual: testado em laboratório e bancada por vários anos, atualmente nos testes iniciais de uma unidade piloto que trata 1 tonelada de biomassa seca por hora para produção de 5000 litros por dia de etanol;

• No estagio atual o processo esta previsto para aproveitar unicamente as hexoses e operar anexo a destilaria, realizando a fermentação alcoólica num mosto formulado com caldo, xarope ou mel e o licor hidrolítico proveniente do DHR.

• Vantagens: licor hidrolítico comparativamente mais concentrado, alta taxa de conversão do celulósico, formação de inibidores controlada, flexibilidade para integração com tecnologia futuras (hidrólise enzimática)

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PROCESSO - DHR

REATOR

TQ. PREPARO DE HIDROSSOLVENTE

COLUNA RECUP. DE ETANOL

FERMENTAÇÃO

BALÕES DE FLASH

CONDENSADORESETANOL

BAGAÇO

H2SO4

TANQUES LIGNINA

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INTEGRAÇÃO DHR

DESTILARIA DE ÁLCOOL OU USINA DE AÇÚCAR COM DESTILARIA ANEXA

(PROCESSO TRADICIONAL OTIMIZADO ENERGETICAMENTE)

DHR

ÁLCOOL

CANA

PALHA

EFLUENTE

BIOGÁS

PALHA ENERGIAVINHAÇA

ENERGIA EXCEDENTE

BAGAÇO + PALHA

HIDROLISADO

LIGNINA

ENERGIA

AÇÚCAR

BIODIGESTÃO CALDEIRA +TURBOGERADOR

ÁLCOOL

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L Álc/t bag.

R$/L

110

120

130

140

150

160

170

180

100

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,45

0,40

Aperfeiçoamento da tecnologia

0,291

0,247

0,402

109

maio/021 US$=R$2,50

Custos versus Tecnologia

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Expectativas da Hidrólise

• Um aumento expressivo da produção do etanol sem aumentar a área de plantio

• A hidrólise de lignocelulósicos não têm atingido ainda viabilidade técnica e econômica;

• O sucesso para atingir um processo comercial está vinculado a melhorar: pré-tratamentos, otimizar a reação de hidrólise ácida ou enzimática.

• Desenvolver complexos enzimáticos eficientes e de baixo custo.

• Os processos devem ser rigorosos no que tange à agressão ao meio ambiente.

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A Usina de açúcar com complexo Industrial para produção de novos produtos

• Matérias primas para produção de novos produtos : açúcar, álcool, xarope,melaço, bagaço, levedura seca, óleo de fusel, torta de filtro, dióxido de carbono, vinhoto;

• Energia térmica:vapor de baixa pressão para aquecimento(1,5-1,7 Kg/cm²) e alta pressão(20, 40, 60 Kg/cm²);

• Energia elétrica e mecânica proveniente de vapor de alta pressão (20, 40, 60 Kg/cm² );

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Sucroquímica (açúcar, xarope e melaço)

• Frutoligosacarídeos;• Polihidroxibutirato(PHB)• Ácido láctico e polilactinas;• Ácidos orgânicos: cítrico, glucónico, málico e

itacónico (outros ácidos);• Aminoácidos e MSG;• 1-3 propanodiol;• 2-3 butanodiol;• Xantana e Dextrana• Esteres de sacarose

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Produtos a partir de etanol (Alcoolquímica)Produtos a partir de etanol (Alcoolquímica)

• Rota fermentativa: Ácido acético• Rota Química:

– Rota do etileno: polímeros

– Rota do aldehído: ácido acético,acetatos

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Produtos a partir de bagaço(futuramente resíduos da colheita:pontas e folhas)

• Furfural,álcool furfurílico, resinas e derivados químicos a partir da rota do furfural

• xilose e xilitol• Hidrólise de bagaço para: hexoses fermenteciveis para

etanol, Sucroquímica, HMF e derivados• lignina e derivados de lignina• papelão e celulose de bagaço• aglomerados e MDF

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Dióxido de carbono

Dióxido de carbono de alta pureza e purificação final de baixo custo está disponível numa quantidade equivalente em peso ao volume de etanol produzido

• CO2 de alta pureza para sínteses químicasProdução de bicarbonatos e carbonatos

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A cera apresenta os seguintes níveis de concentração dependendo do tipo de solo, da idade da cana, do tipo de colheita (cana queimada ou crua), dentre outros:

•cera recuperável na torta está próxima de 0,1% da cana •entre 1,5 e 3,5 % na torta de filtro úmida;•entre 5 e 15 % na torta de filtro seca;

• Utiliza-se o processo de extração com solvente; • Na cera de cana-de-açúcar estão presentes fitosteróis e o policosanol (P.P.G), benéficos para a saúde.

Cera de Cana

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Vinhoto e torta de filtro: reciclados a lavoura para atender parte das necessidades de fertilizantes;

Consumo de água: reduzido a 3 m3/TC e numa meta futura a menos de 1 m3/TC;

Queima de cana : Cronograma de redução gradativa até eliminação da prática;

Pesticidas : substituídos por controle biológico de pragas;

Herbicidas: redução do emprego de químicos pela cobertura com colchão de palha

Redução do impactos negativos no meio ambiente

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• Recirculação na fermentação: Biostil e outros (dificuldades operacionais)

• Concentração por membranas (custo elevado)• Concentração térmica (incrustações, consumo

energético elevado)• Biodigestão (baixa taxa de conversão, inibição

pelo sulfato)• Precipitação de sais (geração de resíduos sólidos)• Combustão do vinhoto concentrado (custo

elevado, fusão dos sais)

Rotas para tratamento do vinhoto

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CONCLUSÕES• A agroindústria canavieira seqüestra CO2, contribuindo para

diminuir o aquecimento global.• O resultante entre a energia empregada na agroindústria e a

recuperada na produção de etanol e biomassa é positiva;• O setor vem a contribuir expressivamente com a oferta de

combustível líquido de origem renovável.• A otimização da utilização do bagaço como energético na

produção de etanol ira gerar excedentes de biomassa lignocelulósica com potencial para a produção de etanol e outros produtos.

• A recuperação dos resíduos da colheita ira a aumentar a disponibilidade de biomassa.

• Do aproveitamento da sacarose contida na cana e o bagaço como energético avança-se em direção a um aproveitamento integral da cana de açúcar.

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•A hidrólise do bagaço torna-se uma meta estratégica para aumentar a oferta de etanol por hectare cultivado.

•Os processos hidrolíticos não têm atingido ainda viabilidade técnica e econômica, sendo necessário aperfeiçoar estes.

•Resíduos da Agroindústria irão constituir uma fonte importante de matérias primas para a Indústria química, por se tratarem de uma fonte de recursos renováveis de origem agrícola que não aumenta a emissão de CO2.

•O Setor que esta sendo impulsionado para altas taxas de crescimento da produção, devera continuar procurando práticas operacionais que evitem impactos ambientais negativos.

•Devera atender as metas previstas de abolição da queima de cana.

•Processos para redução do volume e tratamento do vinhoto geradodeveram ser implantados.