Vallourec
Estudos

Disponibilidade de bagaço e palha para os processos de hidrólise


novaCana.com - 16 out 2013 - 06:10 - Última atualização em: 27 ago 2014 - 17:08

Este estudo continua:

  1. A hidrólise para a produção de etanol a partir de resíduos vegetais
  2. Etanol celulósico: o bagaço da cana-de-açúcar como matéria-prima para a hidrólise
  3. Disponibilidade de bagaço e palha para os processos de hidrólise
O trabalho pode ser acessado na íntegra no pdf: Conversão da celulose pela tecnologia organosolv
Atualmente as usinas e destilarias não recuperam a palha, todavia, já existem algumas usinas que estão iniciando o processo de coleta e tratamento da palha, a nível experimental.

A disponibilidade de bagaço está atrelada a eficiência energética da Usina. Atualmente o excedente de bagaço disponível para hidrólise ou outros usos, se situa entre 7 e 10% do bagaço total (aproximadamente 280 kg de bagaço por tonelada de cana). O restante do bagaço obtido no processamento da cana é empregado como combustível primário na geração de vapor e energia elétrica. Esta condição, se dá em Usinas com destilaria anexa, e que, operam ciclos de geração de vapor e energia com níveis de pressão de 21 bar.
Excedentes de bagaço entre 30 e 50% do total do bagaço obtido no processamento da cana, podem ser atingidos através da otimização do sistema de produção de vapor e energia elétrica da usina, requerendo a geração de vapor na pressão de 65 a 80 bar e empregando turbinas e geradores de alta eficiência. Excedentes superiores poderão ser obtidos com o aproveitamento da palha, sendo estimados que poderão atingir valores de até 75% do bagaço gerado.

Potencial de transformação do bagaço em açúcares redutores e etanol
A transformação estequiométrica do bagaço padrão, e seu potencial máximo de produção de etanol, são apresentados na figura X. Para este cálculo, são considerados unicamente os açúcares redutores potencialmente recuperáveis da hemicelulose e da celulose.

figura x potencial transformacao bagaco cana etanol hidrolise

Etapas do processo de hidrólise

Uma tecnologia de hidrólise inovadora deverá apresentar máxima conversão de celulose e hemicelulose em açúcares e destes, em etanol final. Deverá também apresentar produtividade alta e baixo consumo de energia térmica e eletromecânica, assim como prescindir do emprego de produtos químicos perigosos e evitar danos ao meio ambiente, considerando: potencial poluidor, emissões e geração de efluentes, sólidos, líquidos e gasosos. Os investimentos de implantação e o custo de produção, deverão ser os mínimos possíveis e compatíveis com o valor de venda do álcool carburante ou anidro.
Para atender os critérios acima expostos, a tecnologia de hidrólise deverá ter as seguintes características:

  • Empregar um estágio inicial de pré-tratamento físico-químico do material lignocelulósico, para acelerar as reações de conversão de hemicelulose e celulose a açúcares;
  • Conversão do material lignocelulósico assistida por catálise via ácido diluído ou enzimas;
  • Etapas de fermentação alcoólica com microorganismos que metabolizem as hexoses e pentoses;
  • Destilação para recuperação do etanol (destilação e retificação para AEHC) e absorção em peneiras moleculares para obtenção de AEAC.

A figura Y apresenta os fundamentos do processo de conversão dos materiais ligno-celulósicos em etanol através da hidrólise.
figura Y processo de hidrolise
Todas as tecnologias de hidrólise requerem um tratamento físico preliminar de eliminação de impurezas e preparo do material lignocelulósico por redução do tamanho das partículas a tratar. Esta redução de tamanho, traz como vantagem o aumento da superfície específica do material, acelerando assim, a reação de hidrólise.
Uma das vantagens do bagaço comparado com outros materiais lignocelulósicos, é a de já estar semipreparado e ter baixo teor de umidade.

É uma tendência geral nos processos a introdução de um pré-tratamento físico- químico ou químico, para facilitar a hidrólise propriamente dita e atingir altas taxas de sacarificação, baixa formação de subprodutos indesejáveis e elevado coeficiente de conversão dos celulósicos em carboidratos monômeros.

Os processos de pré-tratamento mais comuns são:

  • O craqueamento com vapor (steam explosion): a biomassa é submetida a uma exposição a vapor vivo, até atingir uma temperatura elevada (180-240ºC), por tempos de permanência curtos (10 segundos a 5-10 minutos) e, a seguir, efetua- se uma descompressão instantânea. O produto final apresenta: hidrólise parcial da hemicelulose, fusão da lignina e diminuição do grau de polimerização da celulose. A performance do processo de craqueamento com vapor, pode ser melhorada quando o material recebe uma impregnação prévia com ácido sulfúrico diluído;
  • O Processo Organosolv, que deslignifica o material lignocelulósico, empregando solventes orgânicos recuperáveis, capazes de remover a lignina;

O Pré-tratamento por aquecimento da biomassa em presença de ácido diluído, numa relação de 1 a 3 % da biomassa seca e a temperaturas de até 200 °C por curto tempo, da ordem de segundos. Nestes processos, a conversão da hemicelulose é eficiente e conduz a uma alta recuperação dos carboidratos monômeros. A biomassa tratada por estes procedimentos, apresenta uma melhor digestibilidade ácida ou enzimática.

As desvantagens destes tratamentos estão associadas à necessidade de requerer um pós-tratamento de neutralização da acidez com calcário, gerando como resíduo o gesso. A recuperação do gesso gerado pelos processos, utilizando ácido sulfúrico, é complexa e, o seu descarte, representa um problema ambiental sem solução adequada até hoje.

Processos hidrolíticos

Os processos em desenvolvimento para conversão da biomassa de natureza lignocelulósica em açúcares redutores e produção final de etanol, podem ser agrupados em três categorias principais:

  • Processos que empregam ácidos concentrados;
  • Processos catalisados por ácidos diluídos;
  • Processos enzimáticos.

Os processos por ácido concentrado empregam ácido sulfúrico como agente de pré-tratamento, seguido pelo estágio de hidrólise com ácido diluído. O ácido concentrado desfaz a estrutura cristalina da celulose. Assim que a estrutura da celulose passa ao estado amorfo, torna-se possível a sua transformação completa e rápida em açúcares redutores, empregando condições não muito severas de reação. O rendimento obtido é alto, porém o processo exige um investimento elevado em equipamentos. A recuperação do ácido sulfúrico exige consumo energético elevado. A operação em presença de um ácido forte, provoca corrosão intensa e, consequentemente, problemas nos equipamentos, os quais requerem ligas especiais. A etapa de hidrólise gera subprodutos de reação indesejáveis, tais como: ácidos orgânicos de baixo peso molecular e compostos furânicos e fenólicos, que inibem a fermentação alcoólica.

Os processos que empregam ácidos diluídos, em geral, utilizam como catalisador o ácido sulfúrico diluído a 0,1-0,7% ou o ácido clorídrico. A hidrólise, acontece em dois estágios para maximizar os rendimentos em açúcares redutores provenientes da hemicelulose e da celulose. O primeiro estágio é realizado em condições intermediárias para hidrolisar a hemicelulose, enquanto que o segundo, operando em condições mais severas, converte a celulose. São necessários estágios de pré-tratamento para desestruturar as ligações entre a celulose e a lignina, podendo ser estes: craqueamento com vapor, amônia, dióxido de enxofre, dissolução da lignina em solventes orgânicos ou álcalis fortes.

Os processos enzimáticos empregam celulose como biocatalisador de hidrólise, que requer condições brandas, temperaturas próximas a 50ºC, pH na faixa 4,5-6,0 e operação nas pressões atmosféricas, permitindo ainda, conversões superiores às obtidas pela hidrólise química. Menor destruição de açúcares e menor acúmulo de inibidores de fermentação, são outras das vantagens deste processo. As principais barreiras aos processos enzimáticos são: fermentação: o custo muito elevado da enzima celulose e o longo tempo para se obter altos rendimentos; um provável alto consumo energético para manter os grandes volumes agitados e aquecidos por 48 a 96 horas, também torna-se uma barreira.

A etapa de fermentação alcoólica da fração de hexoses no licor de hidrólise é feita por uma linhagem selecionada de levedura conhecida como Sacharomyces cerevisiae, sendo que, o maior problema encontrado, é a inibição do metabolismo da levedura pelos subprodutos gerados durante o pré-tratamento e a hidrólise.

O vinho final da fermentação, contendo o etanol, passa por estágios de destilação e retificação, para se obter o Etanol Hidratado Carburante (AEHC). Passa ainda, por um estágio adicional de destilação azeotrópica ou extrativa/absorção, para obter o Etanol Anidro Carburante (AEAC).