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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL
JOÃO LUIS PARISOTTO SCAVONE
Potencial de Uso da Cavitação Hidrodinâmica na Produção de Biocombustíveis
LORENA
2015
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL
JOÃO LUIS PARISOTTO SCAVONE
Potencial de Uso da Cavitação Hidrodinâmica na Produção de Biocombustíveis
Trabalho de Graduação apresentado à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo como requisito parcial para conclusão da Graduação do curso de Engenharia Bioquímica. Orientador: Dr. Júlio César dos Santos
LORENA
2015
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Scavone, João Luis Parisotto Potencial de uso da cavitação hidrodinâmica naprodução de biocombustíveis / João Luis ParisottoScavone; orientador Júlio César dos Santos. -Lorena, 2015. 40 p.
Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaBioquímica - Escola de Engenharia de Lorena daUniversidade de São Paulo. 2015Orientador: Júlio César dos Santos
1. Cavitação. 2. Hidrodinâmica. 3. Biocombustíveis.4. Biodiesel. 5. Etanol. I. Título. II. dos Santos,Júlio César, orient.
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AGRADECIMENTOS
A toda a minha família, em especial à Maria Regina Parisotto Scavone, minha mãe, Rogério Scavone, meu pai e André Luis, meu irmão, pelo incondicional apoio em absolutamente tudo o que realizei em minha vida;
Ao Prof. Dr. Júlio César dos Santos, meu orientador, pela dedicação de tempo, boa vontade, completa disposição, honestidade e companheirismo no auxílio à realização deste trabalho;
A Escola de Engenharia de Lorena – EEL-USP, pela possibilidade de realização deste trabalho;
Aos colegas que estiveram juntos e presentes enriquecendo o trabalho através de debates e discussões;
Aos demais docentes da EEL-USP pelo embasamento teórico que possibilitou o desenvolvimento deste trabalho.
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“Insanidade é fazer a mesma coisa e esperar resultados diferentes.”
Albert Einstein
“Não importa se você errou, o importante é se está satisfeito com o seu fracasso.”
Abraham Lincoln
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RESUMO
Os recentes dimensionamentos do impacto da atividade humana no planeta Terra e a crescente necessidade em se buscar soluções e alternativas que possibilitem um desenvolvimento sustentável, promovendo um crescimento econômico e garantindo a manutenção das características do planeta que são vitais para a existência de vida, têm impulsionado a busca por novas tecnologias e fontes de energia como os biocombustíveis. O presente trabalho faz uma análise dos estudos realizados até agora, evidenciando um significativo aprimoramento dos processos de produção de biodiesel e etanol de segunda geração pelo emprego de cavitação hidrodinâmica. No caso do biodiesel, o uso de cavitação contribui para uma diminuição na resistência à transferência de massa, melhora a miscibilidade entre as fases envolvidas no processo e, por consequência, aumenta as taxas de reação. Com relação ao etanol de segunda geração, o uso de cavitação hidrodinâmica apresenta potencial para contribuir no processo de pré-tratamento da matéria-prima, promovendo a dissociação dos componentes da biomassa (celulose, hemicelulose e lignina) em condições mais brandas e em menor tempo que as técnicas empregadas atualmente na indústria. Este trabalho também avalia as possibilidades de trabalhos futuros com relação à utilização de cavitação hidrodinâmica na produção de biodiesel e etanol de segunda geração, bem como, em outras aplicações. O emprego desta tecnologia pode contribuir para tornar mais competitivas essas formas de geração de energia para que possam gradualmente substituir os combustíveis de origem fóssil.
Palavras-chave: cavitação hidrodinâmica; biocombustíveis; biodiesel; etanol.
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ABSTRACT
Recent sizing of the impact of human activity on planet earth and the growing need to find solutions and alternatives that enable sustainable development, promoting economic growth and ensuring the maintenance of the characteristics of the planet that are vital to the existence of life, have driven the search for new technologies and energy sources such as biofuels. This paper presents an analysis of the studies so far, showing a significant improvement of biodiesel and second generation ethanol production processes by the use of hydrodynamic cavitation. In the case of biodiesel, the use of cavitation contribute to a decrease in the resistance to mass transfer improves miscibility between the phases involved in the process and therefore increases reaction rates. With respect to the second generation ethanol, the use of hydrodynamic cavitation has the potential to contribute in the process of pre-treating the raw material, promoting dissociation of biomass components (cellulose, hemicellulose and lignin) in milder conditions and shorter time than the techniques currently employed in the industry. This paper also assesses the possibilities for future work regarding the use of hydrodynamic cavitation in the production of biodiesel and second generation ethanol, as well as in other applications. The use of this technology can contribute to improving the competitiveness of these forms of power generation so they can gradually replace fossil fuels.
Keywords: hydrodynamic cavitation ; biofuels; biodiesel; ethanol.
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................. 9
2 IMPORTÂNCIA DAS FONTES DE ENERGIA RENOVÁVEIS ........................ 11
3 BIOCOMBUSTÍVEIS: BIODIESEL E ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO .... 14
3.1 BIODIESEL ..................................................................................................... 15
3.2 ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO .............................................................. 18
4 CAVITAÇÃO E SEU POTENCIAL DE APLICAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA .. 21
4.1 CAVITAÇÃO ULTRASSÔNICA ...................................................................... 22
4.1.1 Sistemas de Cavitação Ultrassônica .............................................................. 22
4.2 CAVITAÇÃO HIDRODINÂMICA ..................................................................... 25
4.2.1 Sistemas de Cavitação Hidrodinâmica ........................................................... 25
4.3 APLICAÇÕES ................................................................................................. 30
4.3.1 Rompimento de células microbianas .............................................................. 30
4.3.2 Desinfecção microbiana.................................................................................. 30
4.3.3 Tratamento biológico de efluentes .................................................................. 31
5 USO DE CAVITAÇÃO NA PRODUÇÃO DE BIODIESEL E ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO ................................................................................... 32
6 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS ............................................. 37
7 REFERÊNCIAS .............................................................................................. 38
9
1 INTRODUÇÃO
A crescente necessidade em se substituir os combustíveis fósseis por fontes
renováveis de energia estimulou o surgimento e desenvolvimento de novas matrizes
energéticas, tais como os biocombustíveis. Os processos de produção de
biocombustíveis, como o biodiesel e o etanol, têm sido alvos de inúmeros estudos
nesse sentido tornando-se cada vez mais eficientes e economicamente viáveis.
O etanol produzido a partir da cana-de-açúcar possui elevada produtividade,
em função da grande quantidade de energia de biomassa por unidade de área
plantada, podendo ser ainda mais eficiente se considerado o aproveitamento
energético do bagaço e da palha para a produção de etanol de segunda geração
(LEITE et al., 2009). Fatores esses que motivaram inúmeros trabalhos de pesquisa e
incentivos do governo federal, a fim de, viabilizar a produção de etanol em grande
escala visando à substituição da gasolina, principalmente em veículos leves, como
os automóveis de passeio (MORAES; RUMENOS; BACCHI, 2013).
O biodiesel também vem recebendo incentivos para que possa substituir o
diesel de origem mineral como fonte renovável de energia. Lançado pelo governo
federal em dezembro de 2004 o Programa Nacional de Produção e uso do Biodiesel
(PNPB) apresenta, como principais diretrizes, a implantação de um programa
sustentável promovendo inclusão social, garantias de preços competitivos, de
qualidade e de suprimento, e também, a produção a partir de diferentes matérias
primas oleaginosas em diferentes regiões do país (SEBRAE, 2007).
No entanto, os processos de obtenção de biocombustíveis ainda precisam de
aprimoramento para que estes venham a se tornar cada vez mais eficientes, do
ponto de vista econômico e ambiental, para que possam ser amplamente utilizados
e favoreçam a substituição das atuais fontes majoritárias de energia. Neste sentido,
diversas novas técnicas têm sido avaliadas em trabalhos de pesquisa e, entre estas,
a cavitação hidrodinâmica corresponde a uma alternativa interessante considerada
recentemente.
A utilização do fenômeno de cavitação na produção de biocombustíveis surge
como uma alternativa de grande potencial para contribuir com sua viabilidade. A
10
cavitação corresponde à formação, crescimento e implosão de pequenas cavidades
de vapor em um líquido quando há um decréscimo momentâneo de pressão,
atingindo valores abaixo da pressão de vapor da substância, ou mistura e
retornando em seguida para valores acima desta (SUSLICK, 1989). A implosão das
micro-cavidades de vapor gera uma grande quantidade de energia podendo
alcançar, no local, pressões entre 100 e 5.000 atmosferas e grau de agitação das
partículas equivalentes a temperaturas entre 500 e 15.000 K por um período bem
curto de tempo, da ordem de microssegundos, enquanto o meio, como um todo
apresenta condições ambientes de temperatura e pressão (GOGATE; KABADI,
2009). O potencial de uso e viabilidade de aplicação do fenômeno de cavitação
consiste exatamente na busca pela melhor maneira de se utilizar essa grande
quantidade de energia gerada.
Dentre as principais formas de geração do fenômeno de cavitação, a
ultrassônica e a hidrodinâmica vem sendo aplicadas com sucesso em uma
variedade de processos biotecnológicos, tendo a cavitação hidrodinâmica se
mostrado energeticamente mais eficiente e com maior possibilidade de aplicação em
larga escala (GOGATE; PANDIT, 2001).
Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo apresentar as
possibilidades de aplicação do fenômeno de cavitação na produção de etanol de 2ª
geração e biodiesel. Inicialmente, será discutido o uso de energias renováveis e sua
importância, passando-se em seguida a enfatizar estes dois biocombustíveis.
Depois, serão apresentados conceitos sobre cavitação e suas principais aplicações,
vantagens e desvantagens. Finalmente, serão descritas as possibilidades de
utilização de cavitação nos processos de obtenção de etanol e biodiesel, incluindo
uma visão geral sobre os avanços e perspectivas futuras nesta área.
11
2 IMPORTÂNCIA DAS FONTES DE ENERGIA RENOVÁVEIS
Uma série de fatores têm motivado o desenvolvimento e aprimoramento de
novas tecnologias para a geração de energia a partir de fontes renováveis de uma
forma sustentável, que venham a auxiliar no desenvolvimento de processos de
obtenção de combustíveis que possam substituir os de origem fóssil, minimizando os
principais problemas causados pela utilização desses recursos. Dentre esses
problemas, destacam-se a dependência econômica e social dos países
importadores de petróleo diante da alta volatilidade dos preços em função da
insegurança de suprimento e problemas políticos (SOUZA, 2006) envolvendo os
principais países produtores, o aumento da poluição nas grandes cidades
acarretando consequências diretas à saúde da população, a necessidade em se
controlar a emissão de gases causadores do efeito estufa (GEE), entre outros que
podem variar em importância entre os diferentes países (LEITE; LEAL, 2007).
A humanidade tem contribuído, desde a Revolução Industrial no início do
século XIX na Inglaterra, com o aumento da concentração GEE, principalmente o
gás carbônico (CO2), na atmosfera (SACHS, 2005). Esse rápido crescimento e
desenvolvimento econômico e social, tendo como força motriz a geração de energia
a partir da queima de combustíveis fósseis como, por exemplo, petróleo e carvão
tem provocado um alarmante aumento nas concentrações desses gases na
atmosfera (SACHS, 2005). A Figura 1 apresenta um gráfico mostrando o perfil da
concentração de gás carbônico na atmosfera ao longo dos últimos 800 mil anos.
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Figura 1 – Concentração de CO2 (ppm) na atmosfera ao longo dos últimos 800 mil
anos.
Fonte: (SACHS, 2005)
O gráfico mostra como os níveis de CO2 na atmosfera passaram por diversos
ciclos, com períodos intercalados de altas e baixas concentrações, ao longo da
recente história da Terra. No entanto, observa-se um grande aumento dessa
concentração em função do desenvolvimento econômico e industrial de alguns
países desde a Revolução Industrial.
A pressão estabelecida pela atividade do homem sobre o planeta pode ser
avaliada utilizando-se o conceito de “Planetary Boundaries” (ROCKSTRÖM et al.,
2009), ou “Fronteiras do Planeta”, definindo os limiares seguros para o
desenvolvimento das atividades necessárias para o crescimento econômico e social
da espécie humana sem que essas atividades perturbem o equilíbrio químico e
biológico da Terra (ROCKSTRÖM et al., 2009).
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Figura 2 – Fronteiras do Planeta.
Fonte: (ROCKSTRÖM et al., 2009) O espaço em verde, mostrado na figura, corresponde aos limites seguros de
operação das fronteiras planetárias, os triângulos vermelhos representam as
estimativas da situação atual de cada variável, sendo os pontos pretos, indicativos
da evolução ao longo dos anos (1950-2009) (ROCKSTRÖM et al., 2009).
Diante deste cenário ainda existe muito a ser feito no sentido de baratear e
garantir a aplicação industrial das diversas formas renováveis de geração de energia
que vem sendo descobertas e desenvolvidas, como a energia eólica (CHERUBINI et
al., 2015), a energia solar (CAMERON; VAN DER ZWAAN, 2015), entre outras.
Esses avanços tecnológicos vêm de encontro ao grande esforço global,
principalmente após as resoluções do Protocolo de Quioto, em se reduzir as
emissões de GEE.
O Brasil se destaca neste cenário apresentando uma matriz energética
composta, no ano de 2014, por 39,4% de energia renovável (15,7% biomassa da
cana, 11,5% hidráulica, 8,1% lenha e carvão vegetal e 4,1% lixívia e outras fontes
renováveis) e 60,6% por fontes não renováveis (39,4% petróleo e derivados, 13,5%
gás natural, 5,7% carvão mineral, 1,3% urânio e 0,6% outras não renováveis)
14
(NACIONAL, 2015). A matriz energética nacional apresenta uma maior fração de
utilização de fontes renováveis (39,4%) em comparação com o resto do mundo, com
uma fração média de 13,2%, no ano de 2012 (IEA, 2012).
Entre as fontes renováveis, os biocombustíveis despontam como uma
alternativa para diminuir a dependência externa dos países importadores de
petróleo, visto que esses tendem a sofrer graves prejuízos com o aumento no preço
do petróleo podendo ocasionar uma redução no PIB, aumento da inflação e do
desemprego em função da dependência, de praticamente todos os setores
econômicos, dos derivados de petróleo para a geração de energia (SOUZA, 2006).
3 BIOCOMBUSTÍVEIS: BIODIESEL E ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO
Durante o último século com o aumento da população mundial e o
desenvolvimento industrial, houve um crescimento, no consumo total de energia no
mundo, de aproximadamente 10 vezes, alcançando a marca de 5,5x1020 J em 2010
(GUO; SONG; BUHAIN, 2015). Essa demanda energética é suprida por
combustíveis fósseis 80%, biocombustíveis 11,3%, urânio 5,5% e outras formas de
energia renovável em 2,2% (KOPPELAAR, 2012). O biodiesel e o etanol figuram
entre os principais biocombustíveis produzidos atualmente e estima-se que até 2050
possam representar os principais combustíveis utilizados em veículos pesados,
como caminhões e tratores, e em veículos leves de passeio respectivamente (GUO;
SONG; BUHAIN, 2015).
O Brasil figura entre os principais produtores de biocombustíveis no mundo,
juntamente com os Estados Unidos, China e União Europeia desempenhando um
importante papel no desenvolvimento de novas tecnologias para o setor. Em todos
esses países existem uma série de políticas que vem sendo adotadas por seus
governos para incentivar e promover o crescimento da indústria de biocombustíveis
(SU; ZHANG; SU, 2015).
15
3.1 BIODIESEL
O biodiesel é um combustível, que diferentemente do diesel (cuja matéria
prima é composta por óleos de origem mineral), pode ser obtido a partir de óleos
vegetais (p.ex., algodão, amendoim, canola, dendê, girassol, mamona, soja e outras
plantas), gordura animal (sebo bovino) e também a partir do reaproveitamento de
óleos de cozinha utilizados em frituras (CAMPOS; BIONDI; BARROS, 2014).
A utilização de óleos vegetais como alternativa aos óleos de origem mineral
(como o diesel oriundo do petróleo) já se mostrava presente nas ideias de Rudolf
Diesel (1858-1913), engenheiro mecânico alemão e inventor do motor que leva seu
nome.
Em um de seus pronunciamentos no início do século XX Diesel já alertava
(KNOTHE; GERPEN; KRAHL, 2005):
“ [...] O fato de que óleos vegetais possam ser utilizados com facilidade parece ser
relativamente insignificante para os dias de hoje, mas estes óleos podem talvez se
tornar importantes no futuro, da mesma forma como são importantes nos dias de hoje
os óleos minerais e os produtos do alcatrão. Doze anos atrás, os últimos não estavam
muito mais desenvolvidos do que os óleos vegetais nos dias de hoje e, mesmo assim,
atingiram a importância que lhes é hoje conferida. Ninguém pode prever a
importância futura que estes óleos terão para o desenvolvimento das colônias. De
qualquer forma, eles permitiram demonstrar que a energia dos motores poderá ser
produzida com o calor do Sol, que sempre estará disponível para fins agrícolas,
mesmo quando todos os nossos estoques de combustíveis sólidos e líquidos
estiverem exauridos.”
Entre os principais componentes dos óleos vegetais estão os
triacilgliceróis (TAGs) que ao reagirem com álcool (normalmente metanol) na
presença de catalisador (normalmente uma base, podendo ser um ácido ou
enzimas) pelo mecanismo de transesterificação dão origem a alquil ésteres
(biodiesel) (KNOTHE; GERPEN; KRAHL, 2005). A Figura 3 apresenta a reação de
transesterificação entre o TAG e o metanol (podendo ser outro álcool).
16
Figura 3- Reação de transesterificação.
Fonte: (UNIVERSITY OF YORK, 2014) Com o lançamento em 2004 do Programa Nacional de Produção e Uso do
Biodiesel (PNPB) o governo federal assume o papel de estimular e viabilizar a
produção e utilização do biodiesel na matriz energética nacional. Em dezembro de
2004 foi criado o selo “Combustível Social” que oferece às usinas produtoras a
redução de tributos para aquelas que compram matéria-prima proveniente da
agricultura familiar. Atualmente 99% do biodiesel produzido no Brasil é oriundo de
indústrias que adquiriram o selo (CAMPOS; BIONDI; BARROS, 2014).
O centro-oeste é a região com a maior capacidade produtiva do país, sendo o
Mato Grosso o estado que detém o maior número de usinas, 20 no total, tendo o
óleo de soja como principal matéria prima (CAMPOS; BIONDI; BARROS, 2014). A
Figura 4 mostra a distribuição das usinas de biodiesel e as matérias primas
utilizadas em cada região.
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Figura 4 – Mapa da distribuição das plantas de biodiesel e de matéria-prima
utilizada.
Fonte: (CAMPOS; BIONDI; BARROS, 2014).
A Lei Federal 11.097 de janeiro de 2005 (BRASIL, 2005) estipula que, em até
oito anos, o diesel comercializado no Brasil deve conter um volume de 5% de
biodiesel (B5). Com essa lei o governo federal tem aumentado a fração de biodiesel
a ser misturado ao diesel atingindo o valor de 6% (B6) em julho de 2014. (CAMPOS;
BIONDI; BARROS, 2014). A partir de 1º de novembro de 2014, com a aprovação da
Lei nº 13.033 (BRASIL, 2014), tornou-se obrigatória a mistura de 7% de biodiesel ao
diesel convencional (B7) (EMBRAPA, 2015).
18
3.2 ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO
Após o lançamento do Programa Nacional do Álcool (Proálcool), em 1975
pelo governo federal, a produção de etanol recebeu incentivos na tentativa de se
minimizar os impactos negativos provocados pela instabilidade do mercado de
petróleo e seus derivados na década de 1970. A partir de então, o etanol passou por
fases de impulso e expansão como a ‘revolução-flex’ de 2003 a 2008 aumentando
significativamente a frota de automóveis movidos a etanol ou gasolina e motivando a
expansão do setor para a região Centro-Oeste a partir de 2007 principalmente nos
estados de Goiás e Mato Grosso do Sul (MORAES; RUMENOS; BACCHI, 2013). O
mercado de álcool combustível passou também por fases de incerteza e estagnação
de 2009 a 2013 em função, dentre outros motivos, do abandono do mecanismo de
congelamento do preço da gasolina (MORAES; RUMENOS; BACCHI, 2013).
O Brasil se encontra, atualmente, como o segundo maior produtor mundial de
etanol atrás apenas dos Estados Unidos e seguido por Europa, China, Canada e
Tailândia, como apontam os dados da Renewable Fuels Association (RFA) para o
ano de 2014. Segundo dados da Conab (Companhia Nacional de Abastecimento),
durante a safra de 2014/2015, o Brasil produziu 634,8 milhões de toneladas de
cana-de-açúcar destinadas à produção de açúcar e etanol (de primeira geração). A
produção de açúcar foi de 35,56 milhões de toneladas e a produção de etanol
alcançou 28,66 bilhões de litros no mesmo período (CONAB, 2015).
O etanol de primeira geração possuí processos de produção já bem
estabelecidos, sendo produzido a partir de matérias-primas sacarinas, como a cana-
de-açúcar no Brasil, ou amiláceas, como o milho nos Estados Unidos. O etanol de
segunda geração é produzido a partir da biomassa de materiais lignocelulósicos,
como madeira ou resíduos agrícolas, como a palha da cana-de-açúcar por exemplo,
que vem a constituir a fonte de carbono mais abundante do planeta (CLAASSEN et
al., 1999; BRETHAUER; WYMAN, 2010). O etanol de segunda geração apresenta
algumas vantagens, principalmente quando comparado ao etanol produzido a partir
de matérias-primas amiláceas, como uma elevada disponibilidade de matéria-prima,
grande potencial de redução das emissões de CO2 (considerando-se o balanço
19
global de carbono) e o fato de não competir com a cadeia produtiva de alimentos
(BNDES; CGEE, 2008; GONZALEZ et al., 2012).
O etanol de segunda geração é produzido utilizando biomassa como matéria
prima a partir dos resíduos do processamento da cana de açúcar como o bagaço,
palha e outras partes da planta. A biomassa é constituída fundamentalmente por
celulose, hemicelulose e lignina em frações que variam de acordo com a espécie da
planta (FENGEL; WEGENER, 1984). Produzido desta forma, o etanol não apresenta
os problemas citados acima, sendo assim, uma alternativa considerável para
substituir as matérias primas mais utilizadas atualmente.
A etapa limitante da produção de etanol de segunda geração é a hidrólise da
matéria-prima. Nesta, a molécula de celulose é hidrolisada a glicose, a qual pode ser
aproveitada por microrganismos na síntese do álcool. Outra fração presente no
material, a hemicelulose, também pode ser hidrolisada em hexoses e pentoses,
havendo microrganismos capazes de transformar os açúcares obtidos em etanol.
Entretanto, celulose, hemicelulose e a fração macromolecular fenólica chamada
lignina, formam uma rede intimamente associada com uma estrutura fechada e de
difícil acesso para os agentes de hidrólise. Assim, a hidrólise completa do material
para obtenção de uma mistura rica em açúcares precisaria ser efetuada sob
condições extremas de pressão e temperatura, resultando inevitavelmente em
diversos compostos inibidores da etapa fermentativa subsequente, prejudicando o
processo do ponto de vista econômico (SANTOS et al., 2012).
A estratégia que tem sido adotada para contornar este problema é a aplicação
de um pré-tratamento comparativamente mais brando (embora muitas vezes ainda
em condições severas) ao material seguido de uma etapa de hidrólise enzimática da
celulose, a qual pode ser feita de forma eficiente sob condições amenas. A pré-
hidrólise é então um pré-tratamento fundamental para a viabilidade do processo,
alterando a estrutura do material de forma a permitir o acesso das enzimas,
possibilitando sua atuação. Se desejado, pode-se selecionar um pré-tratamento
adequado para hidrólise da hemicelulose, obtendo-se açúcares cuja fermentação
pode aumentar o rendimento global do processo (AGBOR et al., 2011). A figura 5
mostra a estrutura da biomassa antes e depois de sofrer o pré-tratamento.
20
Figura 5 – Alteração estrutural do complexo celulose, hemicelulose e lignina após o
pré-tratamento.
Fonte: (SANTOS et al., 2012)
Uma grande variedade de estudos e trabalhos de pesquisa vem sendo
desenvolvidos no sentido de aprimorar as técnicas de pré-tratamento já existentes
aumentando sua eficiência através de melhorias de rendimento e redução nos
custos do processo. Dentre esses estudos a utilização da cavitação hidrodinâmica
no pré-tratamento de materiais lignocelulósicos (KIM et al., 2015) surge como uma
recente alternativa, de grande potencial, que ainda se encontra em fase de
pesquisas como será abordado mais adiante.
21
4 CAVITAÇÃO E SEU POTENCIAL DE APLICAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA
O fenômeno de cavitação pode ser explicado como sendo o processo de
geração, crescimento e colapso de bolhas ou cavidades provocando o surgimento
de regiões localizadas de grande densidade energética, altas pressões e
temperaturas no local do fenômeno (SUSLICK, 1989). A cavitação ocorre quando há
uma queda na pressão de escoamento abaixo da pressão de vapor do líquido,
formando pequenas cavidades de vapor, que ao atingirem regiões de maior pressão
entram em colapso ocasionando o fenômeno (BRUNETTI, 2008).
Alguns equipamentos, como bombas hidráulicas, estão suscetíveis ao
fenômeno de cavitação que pode resultar em danos ao equipamento em função do
choque das partículas com a estrutura metálica causando pequenas deformações e
desagregando partes do material (SANTOS, 2009). A ocorrência de cavitação em
máquinas hidráulicas é obviamente indesejada e os equipamentos e parâmetros de
operação devem ser calculados para evitar a ocorrência do fenômeno, no entanto,
existem sistemas que são projetados para utilizar essa grande quantidade de
energia gerada para melhorar processos e reações em diversas áreas de aplicação.
Segundo Gogate; Kabadi (2009) a cavitação pode ser classificada como
transiente ou estável. A cavitação transiente ocorre quando há um colapso violento
da partícula de vapor, gerando no local, altas pressões e temperaturas. Na cavitação
estável, por outro lado, as pequenas cavidades de vapor no líquido sofrem
deformações em função da energia fornecida ao sistema não ser suficiente para
provocar o colapso da bolha, neste caso, os efeitos provocados são mais brandos
que os observados na cavitação transiente.
As formas de geração também classificam os processos de cavitação em:
acústica ou ultrassônica, hidrodinâmica, óptica e de partículas (GOGATE; KABADI,
2009). Dessas formas de geração, apenas a acústica e a hidrodinâmica vem sendo
utilizadas com sucesso no aprimoramento de uma série de reações químicas. O
trabalho de Gogate; Kabadi (2009) apresenta diversas aplicações para o fenômeno
de cavitação (ultrassônica e hidrodinâmica) em processos biotecnológicos, as quais
juntamente com outros exemplos de aplicação, serão discutidas adiante.
22
4.1 CAVITAÇÃO ULTRASSÔNICA
O primeiro registro de utilização de ondas sonoras de alta frequência
(ultrassom) para aumentar a taxa de velocidade de uma reação data de 1927 com
os experimentos de identificação dos efeitos químicos (RICHARDS; LOOMIS, 1927)
e biológicos (WOOD; LOOMIS, 1927) do ultrassom. A partir de então a técnica de
ultrassom vem sendo aplicada com sucesso, em escala laboratorial, no aumento das
taxas de reações, aumento de rendimento, na mudança de rotas reacionais e
também na iniciação de reações (THOMPSON; DORAISWAMY, 1999). Resultados
promissores não foram igualmente observados em escala industrial principalmente
em função do alto custo de implantação e da baixa eficiência dos sistemas
geradores na produção de ondas sonoras de alta frequência (THOMPSON;
DORAISWAMY, 1999). No entanto, alguns estudos (GOGATE; SUTKAR; PANDIT,
2011) vêm sendo realizados com o intuito de sanar estes problemas e viabilizar a
aplicação, em escala industrial, de sistemas de cavitação ultrassônica.
4.1.1 Sistemas de Cavitação Ultrassônica
Dentre os diversos sistemas de cavitação ultrassônica, os mais utilizados são
os que geram ultrassom a partir de uma sonda (ultrasonic horn reactor) e os que
utilizam transdutores para provocar o fenômeno (GOGATE; KABADI, 2009). No
primeiro caso, a intensidade da cavitação gerada decresce de forma exponencial à
medida que se aumenta a distância para o eixo gerador, podendo chegar a
desaparecer a uma distância de apenas 2-5 cm (GOGATE; KABADI, 2009). As
figuras 6 e 7 apresentam duas configurações de reatores de sonda ultrassônica.
23
Figura 6 – Reator com sonda vertical (20 kHz).
Fonte: (CSOKA; KATEKHAYE; GOGATE, 2011)
Figura 7 – Reator com sonda horizontal (36 kHz).
Fonte: (CSOKA; KATEKHAYE; GOGATE, 2011)
O número de transdutores e sua posição influenciam na distribuição e
intensidade dos eventos de cavitação. Isso requer atenção para a escolha de um
sistema que possa atender as necessidades do processo em questão. Csoka;
Katekhaye; Gogate (2011) demonstraram experimentalmente que o reator com
sonda horizontal apresentou um maior rendimento cavitacional (efeito químico
líquido por unidade de energia fornecida) quando comparado ao reator com sonda
vertical e ao banho ultrassônico (Figura 8).
24
Os reatores que utilizam transdutores permitem diferentes configurações,
gerando diferentes padrões de ondas ultrassônicas, utilizando quantidades variadas
de placas geradoras de ultrassom aumentando a eficiência do sistema. Esses
sistemas apresentam maior área sujeita a cavitação com o emprego de uma
quantidade menor de energia se comparado ao ultrasonic horn reactor (GOGATE;
KABADI, 2009). A Figura 8 mostra diferentes configurações de reatores
ultrassônicos que utilizam transdutores:
Figura 8 – Diferentes tipos de reatores ultrassônicos utilizando transdutores.
Fonte: (GOGATE; KABADI, 2009)
25
4.2 CAVITAÇÃO HIDRODINÂMICA
A cavitação hidrodinâmica é resultado da restrição da passagem de um fluxo
líquido por meio de placas de orifícios, tubos de venturi ou válvulas de
estrangulamento que provocam um aumento na energia cinética do líquido. Tal
aumento causa uma queda de pressão podendo atingir o valor de pressão mínima
requerida (normalmente a pressão de vapor do meio na temperatura de operação)
para a geração do fenômeno (GOGATE; KABADI, 2009). Dessa forma, ocorre a
formação de uma região de grande turbulência após a constrição que vai depender
da geometria e do número de orifícios (no caso das placas de orifício), que devem
em função da aplicação desejada, serem dimensionados, visto que cada aplicação
irá exigir uma intensidade distinta de cavitação (GOGATE; PANDIT, 2005). A
cavitação hidrodinâmica apresenta a vantagem, com relação à cavitação acústica,
de gerar a mesma intensidade de cavitação com um gasto energético inferior
(GOGATE; PANDIT, 2005).
4.2.1 Sistemas de Cavitação Hidrodinâmica
Uma ampla gama de possibilidades de diferentes configurações se mostra
presente quando se fala em cavitação hidrodinâmica. Isso se deve, em parte por se
tratar de uma tecnologia relativamente recente na maioria de suas aplicações, onde
diferentes configurações ainda estão sendo avaliadas na tentativa de aperfeiçoar
cada vez mais os processos nos quais a cavitação vem sendo empregada. A Figura
9 apresenta a representação de uma estrutura típica simples de um sistema de
cavitação hidrodinâmica.
26
Figura 9 – Sistema de cavitação hidrodinâmica com placa de orifício.
Fonte: (GOGATE; KABADI, 2009)
Como mencionado anteriormente, além da potência fornecida ao sistema as
placas de orifícios também possuem influência na intensidade de cavitação gerada,
podendo desta forma, apresentar diferentes configurações com a finalidade de
atender a diferentes demandas de acordo com a aplicação desejada (GOGATE;
PANDIT, 2005). A Figura 10 mostra diferentes tipos de placas de orifícios.
27
Figura 10 – Tipos de placas de orifício.
Fonte: (GOGATE; KABADI, 2009)
Alguns sistemas de cavitação hidrodinâmica, no entanto, podem apresentar
uma configuração mais complexa podendo haver inclusive sistemas mistos de
cavitação ultrassônica e hidrodinâmica. Jung; et al. (2015) procederam a completa
descolorização (com relação ao corante Acid Orange 7) de efluente oriundo da
indústria têxtil utilizando um sistema de cavitação hidrodinâmica modificado e
assistido por um campo elétrico, como mostrado na Figura 11, mostrando-se uma
configuração altamente adequada a esta aplicação, evidenciando assim, a
capacidade de se transformar diferentes configurações para atenderem a uma
grande variedade de aplicações.
28
Figura 11 – Diagrama de sistema de cavitação hidrodinâmica modificado assistido
por campo elétrico.
Fonte: (JUNG et al., 2015)
Outra importante forma de geração de eventos de cavitação, além das placas
de orifícios, é a utilização de tubos de venturi para constringir o fluxo e provocar o
fenômeno. A Figura 12 apresenta as características geométricas de um tubo de
venturi utilizado em um sistema de cavitação hidrodinâmica.
29
Figura 12 – Características geométricas de um tubo de venturi.
Fonte: (MISHRA; GOGATE, 2010)
O tubo de venturi pode ser acoplado à um sistema análogo ao exposto acima
para as placas de orifícios, funcionando ambos, como dispositivo de cavitação
podendo inclusive serem instalados em um mesmo sistema de cavitação como
mostra a Figura 13 (MISHRA; GOGATE, 2010).
Figura 13 – Representação de um sistema com dois dispositivos de cavitação.
Fonte: (MISHRA; GOGATE, 2010)
30
4.3 APLICAÇÕES
Os sistemas de cavitação vêm sendo empregados em uma série de
processos químicos e bioquímicos em diversas áreas. Como dito cada aplicação
requisita um sistema distinto de cavitação ultrassônica, hidrodinâmica ou sistemas
combinados. Na área bioquímica podemos destacar o uso de cavitação para o
rompimento de células microbianas, desinfecção microbiana, tratamento biológico de
efluentes, emulsificação, cristalização, extração e congelamento (GOGATE;
KABADI, 2009), bem como, para a produção de biocombustíveis como etanol de
segunda geração e biodiesel que serão abordados adiante em seções próprias.
4.3.1 Rompimento de células microbianas
O rompimento de células para a liberação de um produto de interesse
intracelular corresponde a parte mais complexa em uma série de processos
biotecnológicos, devendo-se levar em consideração não apenas a extração do
produto de interesse, como a conservação de sua estrutura e a dificuldade em
separá-lo dos demais componentes celulares (GECIOVA; BURY; JELEN, 2002).
Dentre uma série de trabalhos realizados na área vale citar, dentre os mais
recentes, o uso de cavitação ultrassônica para o rompimento de células de
microalgas Scenedesmus dimorphus e Nannochloropsis oculata (WANG; YUAN,
2015; GREENLY; TESTER, 2015) e também de algas Chlamydomonas concordia e
Dunaliella salina (JOYCE; WU; MASON, 2010). O rompimento de células de
Sacharomyces cerevisiae utilizando reatores de ultrassom (BYSTRYAK;
SANTOCKYTE; PESHKOVSKY, 2015). O tratamento simultâneo para o rompimento
celular e a extração de lipídios de células de Nannochloropsis salina utilizando
cavitação hidrodinâmica (LEE; HAN, 2015).
4.3.2 Desinfecção microbiana
31
A desinfecção de microrganismos na água apresenta uma série de
complicações decorrentes de dificuldades na transferência de massa, resultando em
longos períodos de tratamento, baixa eficácia no tratamento de espécies que
formam esporos, entre outras (GOGATE; KABADI, 2009). A capacidade de gerar hot
spots (regiões microscópicas de alta pressão e temperatura) confere à cavitação um
potencial de utilização interessante nesta aplicação (GOGATE; KABADI, 2009).
Jyoti; Pandit (2004) estudaram a eficiência de técnicas híbridas de
desinfecção de água utilizando cavitação hidrodinâmica e ultrassônica e também
peróxido de hidrogênio e ozônio. Outros estudos promissores na área como o efeito
da cavitação hidrodinâmica em zooplânctons na água do mar (SAWANT et al.,
2008), e também, na desinfecção de água do mar (BADVE; BHAGAT; PANDIT,
2015). Na área de alimentos, estudos relatam a utilização de ultrassom e luz pulsada
na inativação de microrganismos formadores de esporos em suco de maçã
(FERRARIO; ALZAMORA; GUERRERO, 2015), como também, no
recondicionamento de água, por ultrassom de alta potência e sanitizantes químicos,
para inativar patógenos em alimentos frescos (GÓMEZ-LÓPEZ et al., 2015).
4.3.3 Tratamento biológico de efluentes
A cavitação pode ser utilizada em conjunto e de forma a auxiliar os métodos
convencionais de tratamento por oxidação biológica, contribuindo desta forma, para
uma redução na demanda química e bioquímica (DQO e DBO respectivamente) de
oxigênio (GOGATE; KABADI, 2009). A utilização de sistemas conjugados de
cavitação hidrodinâmica, ultrassônica e agentes oxidantes (GOGATE; BHOSALE,
2013) foi avaliada no tratamento de efluentes contendo corantes sendo, o mais
eficiente, o sistema utilizando cavitação hidrodinâmica e agentes oxidantes.
A cavitação hidrodinâmica também foi avaliada, em conjunto com tratamento
ultravioleta, na remoção de fármacos de efluentes (ZUPANC et al., 2013), e também,
em micro poluentes farmacêuticos em efluentes domésticos (ZUPANC et al., 2014).
Outra aplicação importante se refere ao tratamento de efluentes contendo cianeto
em função de seu caráter altamente tóxico (JAWALE; GOGATE; PANDIT, 2014).
32
Vale ressaltar o tratamento híbrido utilizando cavitação e reações de oxidação
utilizando reagentes de Fenton (BAGAL; GOGATE, 2014).
5 USO DE CAVITAÇÃO NA PRODUÇÃO DE BIODIESEL E ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO
O biodiesel é produzido a partir de óleos de origem vegetal que reagem com
um álcool (metanol) na presença de um catalisador (usualmente uma base). Os
triglicerídeos apresentam baixa solubilidade em metanol gerando um problema de
transferência de massa no sistema e resultando em baixas taxas de velocidade de
reação (GHAYAL; PANDIT; RATHOD, 2013). A geração de regiões microscópicas
de alta pressão e temperatura pelo emprego de cavitação (hidrodinâmica ou
ultrassônica) resulta em condições de turbulência e promove a circulação do meio
reacional diminuindo as resistências à transferência de massa e aumentando a taxa
de reação. (KELKAR; GOGATE; PANDIT, 2008).
Em um dos primeiros trabalhos realizados para avaliar o uso de cavitação na
produção de biodiesel, Ji et al. (2006) utilizaram cavitação ultrassônica e
hidrodinâmica na produção de biodiesel utilizando óleo de soja e NaOH (hidróxido
de sódio) como catalisador. Os pesquisadores observaram, em ambos os sistemas
de cavitação, uma redução no tempo de reação em comparação com o processo por
agitação convencional. Além disso, avaliaram a eficiência enérgica, demonstrando
um melhor desempenho da cavitação hidrodinâmica como mostrado na Tabela 1.
Tabela 1 – Consumo de energia para a transesterificação de 1 Kg de óleo de soja.
Agitação Mecânica Cavitação
Ultrassônica
Cavitação
Hidrodinâmica
Consumo de Energia
(Wh/Kg): 500 250 183
Fonte: (JI et al., 2006)
Posteriormente, Kelkar; Gogate; Pandit (2008) efetuaram experimentos para
avaliar a influência da razão molar entre ácidos graxos e álcool e a concentração de
catalisador em reações de esterificação utilizando H2SO4 (ácido sulfúrico) como
catalisador em sistemas de cavitação ultrassônica e hidrodinâmica. A razão molar de
33
1:10 entre ácidos graxos e metanol se mostrou ótima, bem como, uma concentração
de 2% em massa de H2SO4 concentrado, resultando em uma conversão de 95 mol%
em 90 minutos. Observaram ainda a inviabilidade em se reutilizar o catalisador,
obtendo neste caso, uma conversão de apenas 41 mol%.
Em outro estudo, que testou o biodiesel produzido através de cavitação
hidrodinâmica com óleo de Citrullus colocyntis (Thumba) misturado ao diesel de
petróleo em um motor de quatro cilindros com injeção direta e resfriado a água, Pal
et al. (2010) verificaram que a produção através de cavitação hidrodinâmica se
mostrou um processo simples, eficiente, com economia de tempo, ambientalmente
sustentável e industrialmente viável. Os testes utilizando uma mistura de 30% de
biodiesel ao diesel de petróleo mostraram um desempenho superior do motor frente
à utilização de apenas diesel de origem fóssil como combustível (PAL et al., 2010).
Santos (2009) estudou a produção de biodiesel por cavitação hidrodinâmica
utilizando óleo de soja e etanol ao invés de metanol, contrariando o uso comum de
metanol, em função da abundância tanto de etanol como de óleo de soja no Brasil.
O sistema de cavitação foi construído utilizando uma placa de orifício e bomba
centrífuga como mostrado nas figuras 14 e 15.
Figura 14 – Bomba CHI 4 – 30 da Grundfos e trecho em borosilicato.
Fonte: (SANTOS, 2009)
34
Figura 15 – Tubo de borosilicato com placa de orifício no flange de entrada.
Fonte: (SANTOS, 2009)
Em seu estudo, Santos (2009) verificou a viabilidade do processo e também a
facilidade de scale up caso necessário. Quanto à placa de orifício, não foi possível
estabelecer uma análise conclusiva de qual seria a geometria ideal devendo-se
realizar mais ensaios para que se consiga obter uma geometria que promova a
intensidade ideal de cavitação. Nesse estudo, diferentemente dos modelos clássicos
de sistemas de cavitação hidrodinâmica, a placa de orifícios foi colocada na sucção
da bomba e verificou-se um aumento de desempenho em função da passagem da
mistura reacional pela placa a cada volta no circuito, o que não ocorre em sistemas
que utilizam homogeneizadores de alta pressão que desviam parte da mistura
diretamente ao tanque, sem que passem pela placa de orifício colocada no recalque
da bomba (SANTOS, 2009).
Estima-se que aproximadamente 75% do custo total de produção do biodiesel
seja proveniente do gasto com o óleo vegetal utilizado como matéria prima (PHAN;
PHAN, 2008). Uma variedade de estudos, utilizando óleo de cozinha usado, vem
sendo realizados com o objetivo de reduzir os custos de produção aumentando a
competitividade do produto a partir da reciclagem de um resíduo doméstico.
Ghayal; Pandit; Rathod (2013) verificaram o efeito da geometria e pressão
(antes do orifício) de uma placa de orifício na taxa de reação de transesterificação
utilizando óleo de fritura usado. Os pesquisadores reportaram que em uma
35
geometria ótima de 25 buracos com 2 mm cada foi possível obter uma conversão de
mais de 95% em 10 minutos de reação com um rendimento de cavitação de
1,28x10-3 g/J (medido em gramas de alquil ésteres formados por Jaule fornecido ao
sistema).
Chuah et al. (2015) verificaram os efeitos de parâmetros como a razão molar
entre óleo e metanol, concentração de catalisador e temperatura de reação na
produção de biodiesel, utilizando óleo de cozinha usado, em um reator de cavitação
hidrodinâmica. Foi verificada uma redução no tempo da reação de transesterificação
de 90 minutos, utilizando agitação mecânica, para 15 minutos com o uso de
cavitação hidrodinâmica. Houve também um aumento no rendimento de cavitação
passando de 1,5x10-4 g/J, na agitação convencional, para 12,5x10-4 g/J usando
cavitação. Utilizando uma placa de orifícios otimizada com 21 buracos de 1 mm de
diâmetro e uma pressão de entrada de 2 bar em um reator de 50 L os pesquisadores
obtiveram uma conversão ótima de 98,1% em 15 minutos com uma razão molar de
1:6 (óleo:metanol), 1wt% de catalisador à 60°C.
Dentre as etapas do processo de produção do etanol de segunda geração,
produzido à partir de materiais lignocelulósico (palha e bagaço de cana de açúcar), o
pré-tratamento contribui substancialmente para o custo total do processo perdendo
em relevância apenas para o custo de matéria prima (AXELSSON et al., 2012). A
necessidade do emprego de altas pressões e temperaturas, para dissociar as
frações de celulose, hemicelulose e lignina da biomassa, tem motivado a busca por
alternativas de pré-tratamento que sejam mais econômicas e não resultem em
problemas para as etapas de downstream.
Diante disto, o uso de cavitação no pré-tratamento surge como uma nova
alternativa a ser avaliada para aplicação no processo de produção de etanol de
segunda geração. Alguns estudos, disponíveis na literatura, relatam a utilização de
cavitação ultrassônica para auxiliar no pré-tratamento de materiais lignocelulósicos,
já a utilização de cavitação hidrodinâmica, foi avaliada recentemente em apenas um
trabalho (KIM et al., 2015).
Kunaver; Jasiukaityte; Čuk (2012) avaliaram o uso de cavitação ultrassônica
de alta intensidade para auxiliar a liquefação de materiais lignocelulósicos e
36
reportaram um aumento no rendimento e redução no tempo de processo, além da
inibição da formação de estruturas moleculares complexas pelos produtos de
degradação. Kim; Han (2012) obtiveram um rendimento de 254,5 g de glicose por kg
de biomassa processada, em pré-tratamento alcalino auxiliado por ultrassom, com
uma concentração de 2,96% de hidróxido de sódio (NaOH) a 81,79 °C por 56,66
minutos. Em outro estudo, Velmurugan; Muthukumar (2012) também constataram
uma expressiva redução no tempo de reação e na temperatura utilizada no pré-
tratamento alcalino de bagaço de cana-de-açúcar auxiliado por cavitação
ultrassônica.
Embora os resultados obtidos pelo emprego de cavitação ultrassônica no pré-
tratamento de materiais lignocelulósicos tenham sido satisfatórios, os desafios em se
reproduzir as condições de laboratório em escala industrial inviabilizam o processo.
Kim et al. (2015) foram os primeiros a utilizarem cavitação hidrodinâmica para esta
finalidade, realizando o pré tratamento de material lignocelulósico oriundo de caniço
(Phragmites australis), e obtiveram resultados promissores quando comparados aos
resultados obtidos pelo uso de ultrassom como pode ser visto na Tabela 2.
Tabela 2 – Comparação entre o pré-tratamento utilizando cavitação hidrodinâmica e
ultrassônica.
Métodos de pré-
tratamento
Temperatura
atingida (°C)
Sólidos
recuperados
(%)
Composição de sólidos
(%) Glucanas
recuperadas
(%)
Lignina
removida
(%) Glucana Xilana Lignina
Cavitação
Hidrodinâmica 77 76,4 50,7 27,6 12,7 97,8 42,3
Cavitação
Ultrassônica 72 80,3 46,2 22,9 16,6 93,7 24,5
Não tratada _ _
39,6 24,9 22 _ _
Fonte: (KIM et al., 2015)
Os pesquisadores avaliaram a concentração de NaOH utilizada, a razão entre
sólido/líquido e o tempo de reação sob o rendimento de glicose. Observaram uma
condição ótima utilizando 3% de NaOH com uma razão de 11,8% de sólido/líquido
em 41,1 minutos resultando em um rendimento máximo de 326,5 gramas de glicose
por quilograma de biomassa. Kim et al. (2015) realizaram também um processo
simultâneo de sacarificação e fermentação obtendo uma concentração de etanol de
37
25,9 g/L e um rendimento de 90%, demonstrando assim, a viabilidade e
possibilidade de aplicação em escala industrial da cavitação hidrodinâmica para
auxiliar o pré-tratamento da biomassa na produção de etanol de segunda geração.
6 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS
Em função dos aspectos abordados no presente trabalho e com o
embasamento dos estudos referenciados, fica evidente a possibilidade promissora
de aplicação de sistemas de cavitação hidrodinâmica na produção de biodiesel e
etanol de segunda geração. Os sistemas de cavitação hidrodinâmica levam
vantagem frente aos sistemas de cavitação ultrassônica por apresentarem maior
eficiência energética e possibilidade de ampliação de escala sem grandes
dificuldades.
A utilização da cavitação pode contribuir para um aumento na produtividade
destes biocombustíveis em função da economia no tempo de reação provocada pelo
fenômeno, contribuindo assim, para que os biocombustíveis possam substituir
gradativamente os combustíveis de origem fóssil em harmonia com os desafios
enfrentados atualmente para se alcançar um desenvolvimento sustentável,
garantindo a manutenção das condições climáticas e ambientais que possibilitam a
existência de vida no planeta Terra.
Quanto à forma ótima em se produzir o fenômeno ainda existe muito a ser
feito no sentido de se estipular uma geometria ideal de placas de orifício (número e
tamanho de orifícios por placa) para que se atinja a intensidade de cavitação
adequada a cada aplicação. Outro aspecto passível de estudo é a posição da placa
de orifício no sistema (na sucção ou no recalque da bomba), bem como, diferentes
geometrias de tubulação anterior à placa.
Existe ainda, a possibilidade de realização de estudos para o uso de
cavitação hidrodinâmica em outras aplicações que exijam condições severas de
temperatura e pressão, podendo-se eventualmente, conduzir o processo em
condições mais brandas. Ou então, em aplicações que apresentem problemas de
transferência de massa com dificuldade de miscibilidade entre reagentes, a
cavitação pode ser de grande valia contribuindo significativamente no processo.
38
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