Matérias-primas do etanol de 2ª geração

O advento da cultura de cana para produção de etanol de 1ª geração, a partir dos açúcares extraíveis da cana (sacarose e açúcares redutores no caldo) vem gerando grandes excedentes de bagaço, com potencial de serem transformados em etanol de 2ª geração e aumentar significativamente a oferta deste combustível, sem exigir um aumento proporcional das áreas de plantio. Nessa nova condição, o aproveitamento da cana é integral.

Características da matéria-prima: bagaço e resíduos da colheita

As matérias-primas de natureza ligno-celulósica remanescentes após corte, colheita e processamento de cana para obtenção de açúcar e etanol apresentam grande potencial para seu emprego na obtenção de etanol (futuramente outros produtos) através da hidrólise das mesmas a uma mistura de açúcares redutores e posterior fermentação e recuperação do etanol por destilação.

Uma análise das características das fontes de matéria ligno-celulósica remanescente do processamento da cana (bagaço e resíduos da colheita) é primordial para atingir uma tecnologia de hidrólise específica para o setor sucroalcooleiro. Atualmente, as usinas de açúcar e destilarias não recuperam os resíduos da colheita, que são em parte queimados ou empregados como cobertura do terreno e incinerado o excesso no campo.

Bagaço de cana-de-açúcar para etanol celulósico

O bagaço de cana-de-açúcar é a fração de biomassa resultante após os procedimentos de limpeza, preparo (redução por meio de jogos de facas rotativas niveladoras e desfibramento através de jogos de martelos oscilantes) e extração do caldo de cana (por meio de ternos de moagem ou de difusores).

O bagaço não é uma biomassa homogênea, apresentando variações em sua composição, assim como na sua estrutura morfológica em função dos procedimentos de corte e de processamento industrial. No que diz respeito à sua composição, influem significativamente fatores como:

  • A realização ou não das queimadas antes do corte;
  • Os procedimentos de colheita e carregamento com maior ou menor arraste de terra, areia e resíduo vegetal, tais como corte manual, mecânico, cana picada, corte incluindo o ponteiro etc.;
  • O tipo de solo onde a cana é cultivada (latossolos, solos arenosos, outros);
  • Os diferentes procedimentos de limpeza da cana: a seco por revolvimento em mesas, limpeza com arrasto por corrente de água, limpeza pneumática. Influem também a geometria e outros detalhes construtivos das mesas de revolvimento, assim como a relação de volume de água aplicada por tonelada.

A tabela abaixo reproduz os resultados característicos segundo estudos conduzidos pelo ICICDA.

Composição do bagaço e do palhiço de cana-de-açúcar

Composição % (base seca)BagaçoFibraMedulaPalhiço
Celulose 46,6 47,7 41,2 45,1
Pentosanos 25,2 25,0 26,0 25,6
Lignina 20,7 19,5 21,7 14,1
Organossolúveis 2 – 3     3,5
Aquosolúveis 2 – 3      
Cinzas 2 – 3     8
Umidade 48 – 52     9,7
Fonte: Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar – ICIDCA (1999)

A fração de matéria mineral é, em sua maior parte, resultante de impurezas minerais arrastadas na cana (terra e areia); o restante pode ser computado como cinzas constitutivas da planta e metais ferrosos e pesados decorrentes do desgaste dos equipamentos de preparo e extração. A matéria mineral no bagaço pode oscilar entre 1,6% a 5,0%.

Na composição da biomassa de cana, existe um predomínio da holocelulose, seguido pela lignina. Empregando os dados típicos apresentados por diversos autores, é possível formular um bagaço padrão, como descrito na próxima tabela, com uma composição química que permite quantificar o potencial de aproveitamento do bagaço na hidrólise.

Bagaço Padrão (composição calculada)

Componentes%
Glicose 19,50
Xilose 10,50
Arabinose 1,50
Galactose 0,55
Lignina 9,91
Organossolúveis 2,70
Açúcares redutores 1,85
Ácidos urónicos 1,91
Cinzas 1,60
Umidade 50,00
Hexoses totais 20,04
Pentoses totais 12,00

Características das partículas presentes no bagaço e seu impacto nos processos de sacarificação

O bagaço não apresenta morfologia e tamanho de partículas uniformes, distinguindo-se uma fração esponjosa e outra de fibras com elevada relação de esbeltez. Existem diferenças significativas na densidade aparente apresentada por estas frações. Estudos mais recentes distinguem três frações características no bagaço: casca, fibra e medula.

A medula é formada por partículas esponjosas que apresentam uma forma relativamente regular e um fator comprimento/largura próximo a um, podendo ser aproximadas a esferas. A fração correspondente à casca é de tamanho bem maior, apresentando-se como lâminas grosseiramente retangulares. As fibras podem ser representadas como cilindros com um fator de esbeltez próximo a 50, sendo assemelhadas a cilindros de comprimento infinito. O bagaço, assim como suas frações, apresenta baixas densidades aparentes.

Para a medula, indica-se uma densidade aparente de 220 kg/m³, enquanto que para as fibras 520 kg/ m³ e para a casca 550 kg/m³. A densidade verdadeira do bagaço chega a um valor de 1470 kg/m³. Esses resultados confirmam as seguintes asserções:

  • A porosidade dos componentes do bagaço é considerável e deve ser levada em conta em qualquer estudo de seu pré-tratamento e sacarificação, independente da sua natureza, considerando que as reações são heterogêneas envolvendo a interface sólido-fluido;
  • A fração de medula apresenta uma densidade aparente de aproximadamente metade do valor da fibra. Isto leva a um aumento da relação massa de meio fluido para a massa de matéria ligno-celulósica durante pré-tratamentos e hidrólise, para manter o meio de reação fortemente agitado, que leva a um licor final mais diluído;
  • Influência significativa no desempenho das reações químicas envolvidas na hidrólise, seja esta por catálise enzimática ou ácida, devido aos fenômenos de difusão de massa por meio da estrutura porosa. Também dificultará a separação das partículas mais finas não reagidas durante a hidrólise, que serão mais difíceis de separar através de diferenças de densidade;
  • Significativa importância à morfologia das partículas de bagaço a efeitos de otimizar a hidrólise;
  • A fibra e a medula apresentam diferenças na sua composição química, como observado na composição do bagaço, sendo a primeira mais rica em celulose, que é o polímero preferencial na conversão hidrolítica. A medula apresenta proporções maiores de hemicelulose e lignina. Estas diferenças de composição apontam uma vantagem comparativa para a fibra em relação aos rendimentos da hidrólise.

Matéria-prima: palhiço de cana

Os resíduos da colheita constituídos pelas folhas verdes, folhas secas e o ponteiro da cana constituem também uma fonte de matéria-prima ligno-celulósica. A composição aproximada deste resíduo apresentados aqui se referem a dados de Cuba e poderão diferir dos valores típicos característicos para o Brasil.

A composição do palhiço apresenta certa semelhança com o bagaço no que diz respeito à celulose e hemicelulose. Difere no conteúdo menor de lignina, que é aproximadamente 30% menor que o do bagaço ou as frações que o compõem, e num maior teor de cinzas.

Não estão disponíveis dados de forma e tamanho do palhiço, porém, um exame visual mostra grande heterogeneidade, explicável pelo fato de o palhiço provir de várias frações da planta e não ter sido submetido a um preparo.

Quanto ao potencial de palhiço disponível, segundo estudos feitos pelo CTC, dependendo dos procedimentos de colheita, é possível recuperar um teor de biomassa seca equivalente a 14% da massa de cana (caules colhidos) entregue à usina.

O potencial do palhiço como fonte para aumentar a oferta de biomassa ligno-celulósica, seja para processos hidrolíticos, seja como fonte de energia primária, justifica um estudo aprofundado para conhecer sua composição e propriedades físicas e químicas.

Disponibilidade de bagaço e palhiço para os processos hidrolíticos

A disponibilidade de bagaço está atrelada à eficiência energética da usina. Atualmente, o excedente de bagaço disponível para hidrólise ou outros usos se situa entre 7% a 10% do bagaço total, que é de aproximadamente 280 kg/tc (base úmida, com 50% de umidade). O restante do bagaço, obtido no processamento da cana, é empregado como combustível primário na geração de vapor e energia elétrica. Essa 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.

Em destilarias autônomas, que são a base de produção considerada neste estudo, excedentes de bagaço da ordem de 50% do bagaço total podem ser atingidos pela otimização do sistema de produção de vapor e energia, operando com geração de vapor na pressão de 65-90 bar e empregando turbinas e geradores de alta eficiência.

Soma-se a isso uma estimativa obtida dos estudos realizados sobre recuperação de palhiço, que considera uma quantidade adicional de biomassa ligno-celulósica recuperável de 140 kg (base seca) por tonelada de cana e expresso em bagaço equivalente.

Potencial de transformação do bagaço em açúcares redutores e etanol

Para quantificar o potencial do bagaço para produção de etanol em função do avanço da tecnologia de hidrólise, estabeleceram-se cinco cenários que incorporam gradativamente aumentos da eficiência de conversão de hexoses e pentoses para hidrólise catalisada por ácidos diluídos e por enzimas, e a fermentação das pentoses a etanol. Para traçar estes cenários, empregaram-se os dados de performance das tecnologias de hidrólise publicados. Os cenários propostos são:

  1. Pré-tratamento e hidrólise ácida diluída com aproveitamento das hexoses, no estágio tecnológico atual;
  2. Pré-tratamento e hidrólise ácida diluída com aproveitamento das hexoses e otimização da reação de hidrólise aos melhores valores atingidos, reportados na literatura;
  3. Pré-tratamento e hidrólise ácida diluída com aproveitamento das hexoses e pentoses, com otimização da reação de hidrólise aos melhores valores atingidos, relatados na literatura;
  4. Pré-tratamento e hidrólise enzimática com aproveitamento das hexoses, no estágio atual da tecnologia;
  5. Pré-tratamento e hidrólise enzimática com aproveitamento das hexoses e pentoses, com a tecnologia otimizada.

Tomando como referência uma tonelada de bagaço in natura, o impacto da introdução dos processos hidrolíticos se faz evidente. Inicialmente, com uma tecnologia medianamente otimizada, se consegue uma produção de etanol de 69,1 litros. Como a otimização dos processos de sacarificação, pode-se atingir de 94,2 a 97,0 litros. Vencida a barreira da fermentação alcoólica das pentoses, será possível atingir de 132,2 a 149,3 litros por tonelada de bagaço. Os resultados dos diversos cenários são apresentados abaixo:

Potencial de transformação do bagaço em bioetanol (litros/tonelada de bagaço)

CenárioConversões previstasEtanol HexosesEtanol PentosesEtanol Total
1 Hexoses: 60% – fermentação: 89% Pentoses: 70% – fermentação: 0% Destilação: 99.5% 69,1 0 69,1
2 Hexoses: 80% – fermentação: 91% Pentoses: 78,5% – fermentação: 0% Destilação: 99,75% 94,2 0 94,2
3 Hexoses: 80% – fermentação: 91% Pentoses: 85% – fermentação: 50% Destilação: 99,75% 94,2 37,2 132,2
4 Hexoses: 85% – fermentação: 89% Pentoses: 70% – fermentação: 0% Destilação: 99.5% 97 0 97
5 Hexoses: 95% – fermentação: 91% Pentoses: 85% – fermentação: 50% Destilação: 99.75% 111,4 37,9 149,3

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