Funcionamento de uma usina (destilaria) de etanol

Apresentamos um modelo padrão para exemplificar a tecnologia usada atualmente na produção de etanol no Brasil, são destilarias autônomas com uma capacidade de moagem de 12.000 toneladas de cana por dia, operando em 167 dias efetivos de moagem por ano–safra. Assumindo um coeficiente de conversão de 85 litros de etanol por tonelada de cana, a capacidade de produção diária de etanol é de 1.020.000 litros, equivalentes a 1.019.020 litros de AEHC ou 996.608 litros de AEAC.

O diagrama de blocos da figura a seguir representa, esquematicamente, o processo de produção que se entende que melhor atende uma unidade na escala aqui prevista.

processo-producao-etanolEsquema do processo de produção de etanol

Etapas da produção de etanol

O processo considerado como mais apropriado para a nova geração de destilarias autônomas é baseado nas melhores condições tecnológicas praticadas atualmente, redirecionada para produção apenas de etanol, com alta eficiência de conversão de açúcares, baixo consumo energético, estabilidade de processo e compatibilidade com o meio ambiente.

Recepção e limpeza de cana

A cana é descarregada nas mesas alimentadoras e submetida, preferencialmente, a um processo de limpeza a seco. Em algumas regiões, é feita a limpeza com água se a cana for inteira, utilizando no máximo 2,5 m³ de água por tonelada de cana. Nesse caso específico, o circuito é fechado, recirculando a água, que recebe tratamento. Há somente um consumo equivalente a 10% do total empregado. O despejo de água e matéria em suspensão (terra e biomassa vegetal) é feito na lavoura.

A cana picada resultante do corte e limpeza mecanizada é descarregada diretamente nas mesas de 45 º e transferidas para as esteiras de transporte que conduzem a cana para o setor de preparo. Os processos de limpeza em mesas de 45 º a seco ou com recirculação de água de arrasto, assim como o de recepção de cana picada, podem ser considerados como procedimentos padrão nas condições atuais.

A limpeza pneumática (a seco), estando em via de implantação, aparece como uma alternativa que reduz substancialmente o consumo de água.

Preparo de cana

A cana é submetida ao procedimento convencional de nivelamento em picadores e desfibramento e abertura de células em desfibradores de martelos oscilantes. Esses processos se encontram suficientemente otimizados, tendo atingido alto grau de eficiência, podendo ser considerados padrão para o modelo de produção de etanol aqui desenvolvido.

Extração

A tecnologia considerada como padrão é a extração via moendas, com rolos de pressão e de alimentação, conforme instalado nas usinas da Região Centro-Sul, tecnologia esta otimizada e próxima do limite de eficiência máxima atingível (97,0% – 97,5%). Este sistema está amplamente difundido, existindo fabricação nacional dos equipamentos necessários para atender à capacidade de moagem prevista neste trabalho.

Menos difundida no Brasil, tem-se a opção de emprego de difusores. Trata-se de uma segunda opção a considerar, levando em conta a experiência limitada em operação dessa tecnologia e o fato da moagem deste estudo estar acima das capacidades dos difusores disponíveis no mercado.

Uma terceira opção ainda não disponível, porém em via de consolidação, é o sistema de extração hidrodinâmica.

Pré-tratamento físico do caldo

Esse processo deve levar em conta a necessidade de remoção de particulados ao extremo, por meio de pré-tratamentos físicos seguidos de um tratamento de caldo que atenda os requerimentos de uma fermentação com alta eficiência de conversão de açúcares e estabilidade operacional.

O caldo misto extraído arrasta uma quantidade de fibras, terra e areia que deverão ser removidos para que não interfiram posteriormente na fermentação.

Para um processo previsto numa escala de 12.000 toneladas de cana diária, torna-se possível a separação das operações de tratamento em estágios sucessivos, com ganho em eficiência.

O caldo extraído é submetido a um peneiramento inicial em peneiras rotativas integradas com o conjunto de extração. Um segundo peneiramento é feito em peneiras hidrodinâmicas para remoção de material fibroso de menor tamanho, assim como parte dos inertes. Finalmente, o caldo é submetido a uma sedimentação em hidrociclones para remoção de areia e terra, ficando pronto para o tratamento físico e químico a seguir.

Tratamento do caldo e esterilização do mosto

As destilarias atualmente em operação são, em geral, unidades anexas, sendo que os procedimentos de tratamento de caldo para fermentação praticados são uma adaptação do tratamento para fabricação de açúcar.

No modelo estudado, considera-se a realização de um tratamento de caldo específico para produção de etanol. Para isto, o caldo deve ficar livre de partículas discretas ou coloidais, ceras e graxas, assim como proteínas que precisam ser removidas. A floculação e decantação devem ocluir nos flocos o maior número de microrganismos originalmente presentes no caldo. O processamento deve ser realizado a temperaturas que controlem a propagação dos microrganismos.

O caldo tratado deve passar por um aquecimento final que garanta uma esterilização de grau técnico. O processo mais adequado a este propósito envolve um pré-aquecimento de caldo, dosagem de cal, um aquecimento posterior acima do ponto de ebulição, uma desaeração por expansão instantânea, adição de polímero floculante e decantação. O caldo clarificado é submetido a um novo aquecimento num processo chamado HTST (alta temperatura e breve tempo de exposição) para morte térmica de micro-organismos e imediatamente pré-resfriamento regenerativo, seguido de resfriamento final até a temperatura de 32ºC.

Os aquecimentos são feitos por contato direto empregando os vapores gerados nas etapas de pré-resfriamento flash, vapor de escape e, no estágio final, vapor vivo.

Os pré-resfriamentos são por evaporação instantânea em câmaras de expansão. Para a decantação são empregados decantadores rápidos tipo Sugar Research Institute (SRI), Austrália, por se tratarem de equipamentos de melhor custo benefício, quando comparados aos multibandejas, e que se provaram eficientes para o tratamento de caldo para destilaria.

O projeto do sistema deve introduzir conceitos sanitários, evitando regiões estagnantes, formação de filmes de micro-organismos e curtos-circuitos que promovam a recontaminação. As seções a jusante, posteriores ao tratamento térmico final até a seção de fermentação, devem ser projetadas com critérios de engenharia sanitária (equivalentes aos padrões de projeto da indústria alimentar: laticínios, processamento de sucos, etc.).

O lodo resultante da decantação deve ser separado em filtros rotatórios, desadoçado por lavagem, e os caldos filtrados reciclados ao tratamento de caldo. A prática de enviar os lodos de liquidação de decantadores diretamente à fermentação, comum nas unidades que tem como meta a produção de açúcar de qualidade em detrimento da fabricação de etanol, devem ser abolidas.

Concentração do caldo e preparo do mosto

Para atingir uma fermentação com alto grau alcoólico do vinho final a destilar (maior que 8,5ºGL e preferencialmente entre 10,0º GL e 11,0º GL), é necessário concentrar uma parte do caldo em evaporadores em múltiplo efeito. Este xarope é misturado com o restante do caldo, para obter, assim, o mosto com o teor de açúcares requerido.

Evaporadores do tipo de filme descendente atendem esta etapa. Outros evaporadores como os de placas ou de névoa turbulenta podem ser considerados.

Fermentação

O processo recomendado é uma fermentação com vinho final de graduação elevada (10ºGL). Isso requer uma fermentação estável com fermento ativo, livre de inibição, infecção e floculação. Para atingir essas condições e alta eficiência de conversão de açúcares em etanol e produtividade de etanol, deve ser instalado um sistema de resfriamento eficiente. Os sistemas de fermentação devem ser fechados e com lavagem do gás de exaustão para recuperação de etanol arrastado.

A recuperação de fermento se faz com centrífugas de alta eficiência capazes de concentrar o leite até 65% em volume, estando prevista a centrifugação sequencial em duas etapas com diluição intermediária do fermento com água.

Dois processos estão disponíveis, provados e amplamente difundidos na região Centro-Sul: a fermentação em batelada alimentada com reciclo e reativação de fermento, derivada do processo Melle-Boinot, e a fermentação contínua múltiplo estágio com reciclo e reativação de fermento.

A fermentação contínua é a tecnologia mais adequada para destilarias do porte aqui considerado, trazendo vantagens em custo instalado, custos referentes à mão de obra e energia envolvidas no processo, e vantagens relacionadas ao controle operacional, instrumentação e automação. Operando com mostos de caldo, a fermentação contínua se provou com a mesma eficiência em relação ao processo em batelada alimentada, e ainda com produtividade maior.

O processo em três dornas sequenciais, correspondendo a primeira a 50% do volume total, com separação centrífuga do fermento em dois estágios e tratamento de reativação do fermento contínuo e em cascata, é a opção preferencial. Para atingir a melhor condição operacional, essa configuração deve ser acrescida de homogeneização mecânica do vinho em fermentação e resfriamento por trocadores a placas.

A fermentação em batelada alimentada com reciclo e reativação de fermento é uma segunda opção, considerando sua flexibilidade operacional e os recursos para lidar com condições desfavoráveis de temperatura de fermentação e deficiência na qualidade do mosto.

Outros processos alternativos de fermentação não são aqui considerados, pois o grau de conhecimento deles é limitado ou os resultados obtidos em instalações em operação não atingiram às expectativas no que diz a rendimento, produtividade e estabilidade operacional.

Destilação

A destilação do vinho e a retificação do etanol são conduzidas por meio do sistema de destilação e retificação atualmente em operação.

A desidratação final a AEAC deve ser feita preferencialmente com peneiras moleculares, procedimento que melhor se adapta nesta escala de produção e que conta com a vantagem adicional do baixo consumo de vapor por litro de etanol.

O processo de absorção com monoetilenoglicol (MEG) como agente sequestrador da água seria a segunda opção. Esse processo também está amplamente difundido e provado.

O processo de destilação azeotrópica com ciclohexano, desde que reformulado para otimização do consumo de vapor de aquecimento, pode ser uma alternativa de desidratação. Já existem antecedentes do uso em outros países de unidades otimizadas do ponto de vista energético para produção de AEAC, com consumos de vapor da mesma ordem dos previstos pelas técnicas do MEG e das peneiras moleculares.

Geração de vapor e energia elétrica

Os sistemas de produção de energia elétrica atualmente utilizados na indústria sucroalcooleira são sistemas com ciclos a vapor de água, com queima direta do bagaço de cana, e operando em regime de cogeração. No setor existe hoje uma transição, evoluindo-se desde sistemas a vapor de média pressão (até 22 bar) para sistemas de alta pressão de vapor (65 bar e 82 bar). Isso tem permitido às indústrias do setor, além da autossuficiência em energia elétrica, a geração de excedentes para fornecimento ao sistema elétrico.

As tecnologias de ciclos a vapor atualmente em uso no Brasil são amplamente dominadas, e apresentam custos de investimentos dos equipamentos altamente competitivos. Essas tecnologias consideram: caldeiras com capacidade variando entre 60 e 200 toneladas de vapor por hora, com pressões do vapor vivo variando entre 22bar a 65bar (abs.) e temperaturas entre 300ºC e 480ºC. Na combustão de combustíveis sólidos (bagaço de cana por exemplo), usa-se grelha fixa ou móvel principalmente (grelha inclinada e pin hole). Sistemas de leito em suspensão e de leito fluidizado, embora pouco utilizados ainda, são muito promissores. Há uma tendência ao seu uso nas novas unidades de geração de vapor sendo construídas. Busca-se, atualmente, o aumento da eficiência das caldeiras basicamente pelo lado da melhoria da eficiência nos processos de combustão, principalmente quando se trata de combustíveis sólidos como o bagaço de cana.

As turbinas a vapor podem ser de simples ou múltiplos estágios, de contrapressão ou de condensação com extração controlada, e pressões nos sistemas de condensação da ordem de 0,11 bar a 0,12 bar absoluto. Geralmente são turbinas de ação e de baixo grau de reação.

Os investimentos estimados no setor, da ordem de R$ 700 a R$ 1.100/kWe para sistemas de baixa e alta pressão (desde 22 bar até 80 bar) são competitivos em relação aos atuais custos da energia elétrica comercial. Investimentos de até R$ 1.350/kWe podem ser viáveis no setor (MACEDO, 2003).

Etanol e Cana direto em seu email

Antes de sair, cadastre-se para receber as principais notícias do setor
Obrigado, não quero ficar informado.
Esqueci minha senha close modal