Possíveis melhorias nas usinas de produção de etanol

A expansão da produção de etanol e a implantação de novas destilarias exigem que as mesmas sejam projetadas para atingir alta eficiência de conversão dos açúcares redutores totais extraíveis da cana. Também é necessário que as unidades não apresentem deficiências em equipamentos e na incorporação de tecnologia de ponta. Além disso, deve ser dada ênfase à correção ou redução de práticas inadequadas do ponto de vista ambiental. Assim, essa transição de aumento da produção deve ser acompanhada de uma reformulação das unidades, focadas também na redução de emissão de efluentes, sólidos líquidos e gasosos, e no uso racional e sustentável dos recursos naturais, em particular terra e água.

Rendimento atual da produção

Os valores médios das eficiências de conversão de uma amostra representativa de unidades localizadas na região Centro-Sul, que atendem a boas práticas de fabricação e estão instaladas sem deficiências de equipamentos, representam uma boa referência para estabelecer a eficiência atual das destilarias de etanol.

A tabela a seguir apresenta os valores médios de alguns parâmetros que caracterizam a produção de etanol. Os valores correspondem a registros do Programa de Controle Mútuo (Safra 2005-2006), gerido pelo Centro de Tecnologia Canavieira (CTC), que cedeu as informações aqui apresentadas.

A natureza das perdas de ART pode ser analisada através dos dados. As perdas mais importantes e que merecem mais atenção estão associadas à extração (26,38%) e à fermentação (36,57%).

Natureza das perdas de ARTValor atual (%)Contribuição (%)
Perda na lavagem de cana 0,47 3,32
Perda na extração 3,73 26,38
Perda na torta 0,54 3,82
Perda na fermentação 5,17 36,57
Perda na destilação (devido à vinhaça) 0,18 1,27
Perdas indeterminadas 4,05 28,64
Total 14,14 100,00

Neste item, apresenta-se um modelo para incorporação das mudanças tecnológicas de uma forma gradativa. São apresentados três cenários de evolução tecnológica, traçados sobre a destilaria padrão, com uma moagem diária de 12.000 toneladas de cana por dia:

  • A destilaria de etanol de cana-de-açúcar empregando a tecnologia atual, porém otimizada, no limite atingível desta tecnologia;
  • A destilaria padrão incorporando uma série de inovações e melhorias que deverão ser adotadas até 2015;
  • A destilaria padrão com uma nova incorporação de melhorias que deverão acontecer até 2025.

As mudanças tecnológicas tratam de tecnologias provadas, que estão disponíveis e não são adotadas por diversos motivos, tais como:

  • Serem intensivas em recursos de capital;
  • Serem pouco atrativas, pela baixa margem de contribuição que oferecem na situação atual;
  • A legislação ambiental não exigir ainda adequação de diversas práticas operacionais;
  • Ausência de incentivos governamentais para promover as inovações.

Nessa análise da incorporação de tecnologias para melhoramento do desempenho industrial, utiliza-se o rendimento agrícola com os valores médios fixados no estabelecimento das bases da destilaria padrão. Isso permite visualizar o impacto da introdução das melhorias tecnológicas na destilaria. O aumento do rendimento agrícola é então aplicado proporcionalmente.

Mudanças sugeridas no processo de produção

A lavagem de cana é eliminada, sendo substituída por procedimentos de limpeza a seco. O resultado desta ação é a extinção das perdas de açúcar associadas à lavagem.

Os processos de preparo e extração são aprimorados para passar, gradativamente, das eficiências de extração atuais a 98%. Essa meta é atingida por intermédio do aprimoramento dos conjuntos de moagem e pela introdução de difusores com maior potencial de extração. Também, alternativa ainda em estágio de desenvolvimento, a extração hidrodinâmica deverá estar disponível em futuro próximo. Porém, essa alternativa não foi considerada neste estudo, pois o estágio de desenvolvimento em que se encontra não permite afirmar que irá se consolidar como alternativa econômica à moenda e ao difusor.

A fermentação alcoólica, sobre a qual pesam as maiores perdas, terá que passar por mudanças mais radicais, a fim de reverter o quadro de eficiência desfavorável. As mudanças na fermentação alcoólica, que aqui foram consideradas, não são de substituição da tecnologia atual (fermentação em batelada alimentada ou contínua em múltiplos estágios, ambas com reciclo de levedura) e sim o aprimoramento da tecnologia existente, a qual permite atingir uma eficiência de conversão de até 91,5%. Essas mudanças podem ser resumidas nas seguintes ações:

  • Reformulação do processo de tratamento de caldo e preparo de mosto para remoção de matéria em suspensão e esterilização do mosto;
  • Introdução da dupla centrifugação para eliminação de micro-organismos contaminantes;
  • Otimização dos sistemas de resfriamento para redução da temperatura de fermentação (dos atuais 34-35ºC para no mínimo 30ºC);
  • Operação com alto grau alcoólico final (no mínimo até 12-13ºGL), com redução do volume de vinhoto e do consumo energético na destilação;
  • Reativação do fermento de forma que permita estabilidade operacional;
  • Fermentação com linhagens selecionadas de levedura;
  • Eliminação do emprego do ácido sulfúrico;
  • Banimento do emprego de antibióticos;
  • Introdução de monitoramento através de sensores e automação do processo.

Não se considerou neste estudo a introdução de novas tecnologias de fermentação, pois no estágio de desenvolvimento em que se encontram não é possível fazer uma previsão tecnológica de que elas estarão disponíveis nos horizontes considerados.

Quanto aos processos de destilação em uso, a tecnologia empregada por nossas destilarias foi desenvolvida para produção de álcool etílico industrial a partir de melaço, operando com baixo grau de automação, aparelhos de porte pequeno, exigindo múltiplas unidades para atender a capacidade da destilaria padrão. Os sistemas em operação atualmente têm limitações para redução do consumo energético. A maioria das unidades emprega a desidratação por destilação azeotrópica com ciclohexano num único estágio. Algumas unidades estão começando a ampliar sua capacidade por meio de incorporação do processo de destilação extrativa com mono-etileno-glicol e algumas poucas empregam absorção em peneiras moleculares.

A reformulação da destilação é crítica para redução do consumo de vapor de processo e para disponibilizá-lo para pré-concentração do caldo, necessária para operar a fermentação em alto grau alcoólico. A substituição do conjunto de colunas de destilação atuais (cuja capacidade nominal é em média 250.000 litros por dia) por aparelhos maiores e completamente automatizados (1.000.000 litros por dia) precisa ser introduzida para reduzir as perdas de etanol junto ao vinhoto, os custos operacionais e a parcela referente ao custo de investimento por litro de etanol produzido.

O processo por destilação e retificação em múltiplos efeitos permite uma redução do consumo de vapor de processo e da demanda de água de resfriamento.

Da mesma forma, a desidratação por meio de alternativas como a destilação extrativa com monoetileno-glicol, peneiras moleculares e destilação extrativa com ciclohexano em múltiplos efeitos se traduzem em redução significativa do consumo de vapor de processo.

Essa redução do consumo de vapor é determinante para geração de excedentes de bagaço e de energia elétrica, também para viabilizar a operação de processos de concentração térmica de vinhoto, considerando que sua introdução é necessária para reduzir o volume de efluentes e a captação de água para o processo, além do fato de que não é possível predizer a disponibilidade de tecnologia para concentração de vinhoto por membranas. Completando as alternativas de desidratação com baixa demanda de vapor, pode-se fazer uma previsão da entrada dos processos de desidratação por pervaporação através de membranas. Esses processos já se provaram eficientes e de baixo consumo energético, ficando limitado seu uso pelo custo elevado das membranas. A evolução rápida da tecnologia de membranas, bem como os estudos consultados sobre a tecnologia de pervaporação, conduzem à expectativa de que entre o primeiro e segundo horizonte examinados neste estudo essa tecnologia estará disponível.

Projeção de rendimento das melhorias

A próxima tabela apresenta o desempenho dos processos de destilação retificação, convencional e em dois e três efeitos, em relação ao consumo de vapor e energia elétrica por litro de etanol final, assim como para as alternativas de desidratação a etanol anidro carburante.

Compração dos consumos energéticos para diversas tecnologias de desidratação
Tecnologia empregadaConsumo de vapor kg/m3 de AEHCConsumo de energia elétrica kW/m3 de AEACEnergia primária total kcal/m3 de AEAC 
Destilação com ciclohexano convencional 1750 1272,5 Vapor de escape
Destilação com ciclohexano otimizada 1450 1062,5 Vapor de escape
Destilação com ciclohexano a 3 efeitos 580 23 435,5 Vácuo, vapor de escape e capor de baixa pressão
Absorção com MEG 750 15 572,5 Vapor a 10 bar
Pervaporação 110 34,5 124,5 Vapor de escape e vácuo
Peneiras moleculares 550 19 432,5 Vapor a 10 bar e vácuo

O processo de destilação azeotrópica empregando ciclohexano como agente ternário, quando aplicado na forma convencional, é o mais desfavorável do ponto de vista energético. Uma primeira otimização, que, aumenta o número de estágios na coluna de desidratação e na regeneradora da fase rica em água, reduz esse consumo, porém ele ainda se mostra desfavorável quando comparado aos outros processos. Já uma reformulação do processo por meio da operação em múltiplos estágios, empregando três níveis de pressão (média, atmosférica e vácuo), coloca-o numa condição muito favorável, com consumo de energia equivalente ao das peneiras moleculares e mais vantajoso que a destilação extrativa com mono-etileno-glicol. Do ponto de vista do consumo energético, o processo mais eficiente é o de pervaporação.

Outros fatores devem ser levados em consideração, tais como:

  • As peneiras moleculares produzem etanol anidro de maior pureza e sem contaminantes;
  • A possibilidade de empregar destilação azeotrópica em múltiplos efeitos se torna viável para destilarias de grande porte, como é o caso da destilaria padrão (1.000.000 litros/dia) adotada neste estudo, que apresenta consumo energético da mesma magnitude do MEG e das Peneiras Moleculares;
  • A destilação com ciclohexano e absorção com MEG deixa resíduos de compostos químicos no AEAC; o ciclohexano é tóxico e resíduos do MEG encontrados no AEAC têm sido apontados como perigosos;
  • O processo de destilação extrativa pode ser otimizado com redução do consumo energético;
  • As peneiras moleculares também são passíveis de otimização;
  • O processo de destilação azeotrópica poderia ser reformulado pela substituição do ciclohexano por parafinas, cujo residual ficaria incorporado ao AEAC;
  • A pervaporação é a tecnologia mais eficiente do ponto de vista do consumo energético, onde o AEAC obtido é de alta pureza. Sendo a mais recente das tecnologias (encontra-se em estágio de demonstração), justifica-se um estudo mais detalhado da mesma.

A inserção das melhorias acima descritas na destilaria padrão pode ocorrer de forma gradativa, primeiro incorporando melhorias de eficiência nas unidades existentes e, em sequência, reformulando o projeto das novas unidades que devem ser implantadas.

Pra finalizar, apresentamos os parâmetros de desempenho da destilaria padrão, tomando como base valores típicos da região Centro-Sul. Nesta condição, é possível recuperar 85 litros de AEAC por tonelada de cana. Nessa tabela e nos estudos comparativos do impacto de introdução de novas tecnologias, fixou-se o rendimento agrícola, o teor de açúcares redutores totais e o de fibra na cana. Estudos futuros introduzindo uma projeção da evolução destes parâmetros podem levar a ganhos incrementais no rendimento industrial.

ItemDestilaria padrãoDestilaria padrão otimizada
Moagem/ano safra (toneladas de cana) 2.000.000 2.000.000
Dias úteis/ano safra 167 167
Rendimento agrícola (toneladas por hectare) 71 71
Moagem diária (toneladas de cana por dia) 11.976 11.976
Rendimento industrial (litros bioetanol / tonelada de cana) 85 88
Produção diária (litros) 1.017.964 1.053.892
Produção safra/usina (litros) 170.000.000 176.000.000
Área agrícola da Destilaria (ha) 28.000 28.000
ART na cana posta na Usina (kg/ tonelada de cana) 159 159
Fibra na cana posta na Usina (kg/ tonelada de cana) 140 140
Bagaço total em cana (kg/ tonelada de cana) 280 280
Eficiência na extração (%) 96,0 96,3
Eficiência no tratamento do caldo (%) 97,0 99,5
Rendimento na fermentação (%) 89,26 89,70
Rendimento na destilação (%) 99,0 99,5
Rendimento global (%) 82,29 85,50

Uma otimização deste processo, melhorando fundamentalmente o desempenho da extração e da fermentação, já colocado em prática por algumas destilarias de ponta, permite um ganho para 88 litros de AEAC por tonelada de cana, referidos novamente a um rendimento agrícola de 71 toneladas de cana por hectare, como mostrado acima.

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