As premissas-chave para traçar o comportamento de cada um dos pré-tratamentos foram baseadas em entrevistas primárias com mais de 80 desenvolvedores de tecnologia, literatura acadêmica e estudos de terceiros.
Nenhum dos métodos de desconstrução da parede lignocelulósica hoje é universalmente mais vantajoso do que o outro, e cada um varia no processo de produção, dependendo do tipo de matéria-prima, e de uma série de outros fatores.
“Alguns destes métodos, contudo, mostram-se promissores e podem beneficiar-se de futuros desenvolvimentos”
O texto acima é apenas uma breve introdução. Para ver esta página completa clique aqui e assine.
Veja também na reportagem:
- Gráficos comparativos
- Diferenciação por matéria-prima e opção de pré-tratamento
- O resultado do pré-tratamento deveria ser algo bem simples: liberar o máximo possível de celulose e hemicelulose para hidrólise enzimática e fermentação subsequentes. No entanto, na prática, as empresas apresentam dificuldades em lidar com o bloqueio da lignina presente na celulose e na hemicelulose e a formação de inibidores no processo.
- Para analisar os custos obtidos pelos três pré-tratamentos lignocelulósicos comercialmente disponíveis para a produção de etanol celulósico, foi construido um modelo de custos. Com o modelo foi possível comparar os custos totais para a produção de um galão de etanol celulósico em cada uma das opções de pré-tratamento: ácido diluído, explosão à vapor e alcalino.
- Dentro do padrão de custos, o processo de produção do etanol de segunda geração foi separado em cinco etapas principais: matéria-prima, pré-tratamento, hidrólise enzimática, fermentação e geração de energia. Além disso, o cálculo leva em consideração apenas os custos operacionais dos principais insumos e a energia demandada em cada um desses cinco estágios produção. Dessa maneira, não são incorporados os custos operacionais fixos para mão-de-obra, de manutenção ou de capital.
Em todas as plantas de etanol celulósico do mundo o desafio tem sido o mesmo: o pré-tratamento. Apesar de, inicialmente, ser considerada uma etapa simples, Raízen, Granbio, Poet, Beta Renewables, Abengoa (usina parada e comprada pela Synata Bio) e DuPont – as seis plantas de E2G em escala comercial – têm encontrado dificuldades nessa fase de produção.
O comportamento das três tecnologias utilizadas no pré-tratamento por estas seis empresas foi alvo de um comparativo de vantagens e desvantagens. A análise levantou o que cada tecnologia pode trazer para reduzir os custos do processo de produção do etanol de segunda geração.
Para uma usina conseguir produzir etanol celulósico em escala comercial com sucesso, diversas novas etapas precisam ser dominadas, como o custo de coleta e estoque da matéria-prima, pré-tratamento, a hidrólise enzimática, a fermentação e a separação da lignina.
Em quase todas as frentes os resultados têm sido relativamente satisfatórios, apesar de ainda permanecerem longe de alcançar um custo que viabilize a produção do E2G em grandes volumes.
Uma das razões, o pré-tratamento, tem sido o elemento crítico que frustrou as expectativas ainda nas primeiras etapas de produção.
A etapa que, inicialmente, parecia ser uma das mais simples dentro de uma planta de etanol celulósico, tem dado mais trabalho do que se esperava e atrasado significativamente as metas iniciais de todos os seis grandes projetos de etanol celulósico em andamento pelo mundo.
Um estudo, realizado pela empresa americana Lux Research, uma consultoria de tecnologia baseada em Boston nos Estados Unidos, indica que melhorias nessa etapa já promoveriam uma forte redução no custo total de produção em até 16%, em média, além de consequentes evoluções nas etapas subsequentes de produção.
Apesar do estudo ter sido publicado no ano passado, segundo a consultoria americana, todas as instalações de etanol celulósico estavam lutando com problemas mecânicos e nenhuma empresa estava claramente à frente no processo. Além da unidade brasileiras da Raízen e da Granbio, há plantas da Poet, da BetaRenewables, da Abengoa e da DuPont concentradas na missão de produzir o E2G em escala comercial.
Por email a Lux informou hoje (26) que, no momento, não fará uma atualização do trabalho, “pois não houveram muitas mudanças em termos de tecnologia ou progresso industrial".
Simples na teoria
Segundo a Lux, o resultado do pré-tratamento deveria ser algo bem simples: liberar o máximo possível de celulose e hemicelulose para hidrólise enzimática e fermentação subsequentes. No entanto, na prática, as empresas apresentam dificuldades em lidar com o bloqueio da lignina presente na celulose e na hemicelulose e a formação de inibidores no processo, tais como fenóis.
A lignina é uma molécula fortemente ligada à celulose e hemicelulose e impede que os açúcares existentes na parede celular sejam hidrolisados e liberados para a fermentação. É no pré-tratamento que ocorre a quebra, determinando entre outros pontos como será realizada a hidrólise do material, diminuindo, inclusive, os custos dessa etapa subsequente.
“A indústria já deu passos significativos, mas como em todos os processos em grande escala, a engenharia deve ser aperfeiçoada e reações devem ser controladas adequadamente”, pontua o analista da Lux Research, Yuan-Sheng Yu.
O analista é responsável pela pesquisa “Uncovering the Cost of Cellulosic Ethanol Production”, em tradução livre “Revelando o custo de produção de etanol celulósico”, que, além de estimar os custos de produção das seis plantas de E2G em andamento, levantou quais são as potencialidades dos três principais pré-tratamentos utilizados atualmente pelas usinas de etanol celulósico anteriormente citadas: alcalino, com ácido diluído e explosão à vapor.
Enfatizando estas alternativas em cenários de produção e sua interação com etapas subsequentes, o pesquisador traça como as três técnicas utilizadas hoje se comportariam, na teoria, em relação aos custos.
Com isso, há dois pontos importantes revelados pela pesquisa e que favorecem diretamente o etanol celulósico produzido no Brasil. Considerando que no processo de produção de etanol celulósico, o recolhimento e custos de matéria-prima são pontos críticos, com um impacto de cerca de 40% no total gasto para o 2G, os recursos da palha e do bagaço de cana são intrinsecamente mais baratos do que os outros usualmente utilizados.
Além dos resíduos da cana-de-açúcar, a Lux Research traz um comparativo dos custos de resíduos de madeira, palha de trigo, cachos vazios de palma e palha de milho.
Em linhas gerais, outro ponto que favorece o Brasil são os dois pré-tratamentos utilizados pelas usinas da Raízen e da GranBio, o ácido diluído e a explosão à vapor, respectivamente, que apresentam melhores rendimentos do que o pré-tratamento alcalino.
No entanto, ainda há o indicativo que são necessárias melhoras no rendimento desses pré-tratamentos, o que promoveria um maior desempenho das enzimas, eficiência de fermentação e, consequentemente, a forte redução no custo total citada anteriormente.
“Há um efeito dominó sobre a eficiência. Em cada etapa, parte do rendimento é perdido resultando em uma quantidade total de açúcares fermentáveis que é apenas uma fração do rendimento total de açúcar teórico”, pontua Yu, sobre o efeito do pré-tratamento nas outras etapas de conversão da biomassa em etanol.
Ele ainda acrescenta que nenhum dos métodos de desconstrução da parede lignocelulósica hoje é universalmente mais vantajoso do que o outro, e cada um varia no processo de produção, dependendo do tipo de matéria-prima, e de uma série de outros fatores. “Alguns destes métodos, contudo, mostram-se promissores e podem beneficiar-se de futuros desenvolvimentos”, indica.
Importante saber também que o tratamento com ácido também é utilizado pela Poet e a Abengoa, já a explosão à vapor pela Beta Renewables. A única companhia que usa o pré-tratamento alcalino é a Dupont.
Estudo
As premissas-chave para traçar o comportamento de cada um dos pré-tratamentos foram baseadas em entrevistas primárias com mais de 80 desenvolvedores de tecnologia, literatura acadêmica e estudos de terceiros.
Para analisar os custos obtidos pelos três pré-tratamentos lignocelulósicos comercialmente disponíveis para a produção de etanol celulósico, a Lux Research construiu um modelo de custos. Com o modelo foi possível comparar os custos totais para a produção de um galão de etanol celulósico em cada uma das opções de pré-tratamento: ácido diluído, explosão à vapor e alcalino.
Dentro do padrão de custos, o processo de produção do etanol de segunda geração foi separado em cinco etapas principais: matéria-prima, pré-tratamento, hidrólise enzimática, fermentação e geração de energia. Além disso, o cálculo leva em consideração apenas os custos operacionais dos principais insumos e a energia demandada em cada um desses cinco estágios produção. Dessa maneira, não são incorporados os custos operacionais fixos para mão-de-obra, de manutenção ou de capital.
Composição da Biomassa
O que se percebe é que, independente da matéria-prima, a diluição em ácido é o pré-tratamento com o menor custo médio de produção - US$ 2,15 por galão. Já o alcalino, possui o maior custo médio de produção - US$ 2,62 por galão. Utilizou-se US$ 70 por preço base da matéria-prima para permitir as comparações.
No detalhe, o cenário de menor custo é o do pré-tratamento ácido para cachos de palma vazios, cotado em US$ 1,94 por galão (R$ 1,63/litro). O cenário de maior custo é para o pré-tratamento alcalino de palha de trigo, US$ 2,93 por galão (R$ 2,48/litro).
Esse cenário é resultante de duas variantes: a eficiência do pré-tratamento e a composição de celulose e hemicelulose - de 51% e 28%, para o resíduo de cachos de palma e trigo, respectivamente.
Cana: Palha X Bagaço
No caso das matérias provenientes da cana, no que se refere à composição da biomassa, a palha tem uma performance de custos um pouco melhor do que o bagaço. O pesquisador da Lux Research indica que são materiais também com maior grau de celulose e hemicelulose em comparação com outras matérias-primas (uma média de 65%). Por outro lado, há também um teor de lenhina ligeiramente mais elevado, o que resulta em algumas dificuldades para processamento.
Se por um lado o teor celulósico possui grande influência nos custos do pré-tratamento, na comparação do custo total da matéria-prima, que envolve etapas de recolhimento e armazenamento, a biomassa e palha de cana saem à frente das demais matérias-primas.
Ambas as matérias-primas são muito mais baratas no estado atual em comparação com palha de milho e palha de trigo, porque eles já são recolhidas pelas usinas, aliviando o produtor da logística adicional. Os custos médios de produção são de US$ 1,94 por galão para o bagaço e de US$ 1,91 por galão para a palha.
Outro material com preço bem competitivo ao analisar o custo total é a madeira, resultando em um custo médio de produção de US$ 1,88 por galão.
Preço "verdadeiro"
Os cachos de palma vazios são um dos materiais com custo mais baixo nos cenários analisados. Contudo, o estudo enfatiza que isso é válido apenas quando se observa o impacto da composição da biomassa nos custos de produção do etanol celulósico.
Uma perspectiva mais completa – que considere custos de preparação da terra, produção da cultura, colheita, logística, estoque, manuseamento do material, pré-processamento e outros –, faz com que os valores reais da matéria-prima subam para US$ 2,64 por galão, em comparação com o valor de US$ 2,21 por galão (assumindo US$ 70 por preço base da matéria-prima).
Rendimento X custo pré-tratamento
Os rendimentos diferem conforme a tecnologia de pré-tratamento escolhida. Dentro disso, a explosão à vapor resulta em três correntes de produto: celulose, hemicelulose, lignina. Já a diluição ácida hidroliza hemicelulose em açúcares C5, e o pré-tratamento alcalino dissolve a lignina em fenóis.
A pesquisa ainda frisa que todos os processos de pré-tratamento formam subprodutos, tais como furanos, fenóis e ácidos alifáticos em graus variados. Quanto ao rendimento, em média, se o aproveitamento da tecnologia for de 100%, o custo de produção cai em 4,5%. Já quando o rendimento é menor, de 80%, o custo de produção aumenta em 5,9%.
O pré-tratamento ácido é menos impactado pela curva de rendimento, tendo um bom custo de produção que varia de US$ 1,99 por galão para US$ 2,12 por galão. O maior impacto é visto no pré-tratamento alcalino, com um custo de produção que varia de U$ 2,33 por galão para US$ 2,63. A explosão à vapor mostra impactos de custos semelhantes variando de US$ 2,17 por galão para US$ 2,41.
Desempenho da enzima
A hidrólise enzimática é geralmente o segundo maior contribuinte para o custo de produção de etanol celulósico. Nas estimativas realizadas pela Lux, o preço de enzimas reduz o custo de produção em 14,5% para o ácido diluído, em 23,4% para a explosão à vapor, e em 21,8% para o pré-tratamento alcalino – caso essas tecnologias se comportem em sua plena capacidade.
Nesse caso, o ácido diluído é que menos beneficia o custo total com enzima em seu melhor cenário, com custos variando de US$ 1,79 a US$ 2,05. Isso acontece porque, normalmente, o custo da hidrólise já é um terço menor do que nos dois outros pré-tratamentos, por quebrar diretamente a hemicelulose em açúcares C5.
Eficiência de fermentação
As melhorias em rendimento da fermentação resultam na redução bastante uniforme no custo de produção para todas as três tecnologias com um pequeno intervalo, entre 4,7% a 4,9%. Já uma eficiência pobre resulta em semelhantes aumentos de custo de produção, entre 5,6% e 5,9% para os três pré-tratamentos.
O estudo trabalha com três cenários de referência para fermentação. Quando a fase funciona com entre 85% e 90% de sua capacidade total, os custos de produção por galão são de US$ 2,05, US$ 2,32 e US$ 2,46 para ácido diluído, explosão à vapor e pré-tratamento alcalino, respectivamente.
A fermentação é influenciada em grande medida pelo contaminação de subprodutos no pré-tratamento, como furanos, fenóis, ácidos alifáticos. Os fenóis, subproduto da lignina, representam o maior efeito prejudicial na atividade de levedura, diminuindo o rendimento global de etanol entre 25% e 50%.
Ácidos alifáticos, uma família de produtos de degradação de furanos, demonstraram ter pouco ou nenhum impacto sobre a produção de etanol, enquanto os furanos em si só afetam a duração do período de fermentação.
Geração de energia
Com uma energia proveniente das redes elétricas a US$ 0,10/kWh, os custos de produção totalizaram (por galão) US$ 2,52, US$ 2,46 e US$ 2,99 para o ácido diluído, explosão à vapor e alcalino, respectivamente.
A geração de energia própria a partir do biogás de tratamento de esgoto reduz o custo de produção de 18,7% e 17,7% para o ácido diluído e alcalino. Na explosão à vapor, a geração de energia de biogás só reduz o custo de produção de 5,7%.
Além disso, os produtores podem gerar energia no local da combustão lignina. A lignina é a terceira corrente de produto principal a partir de pré-tratamento celulósico, sendo 15% a 25% da composição da biomassa. Os pré-tratamentos com ácido diluído e explosão à vapor podem reduzir custos de produção, para US$ 1,14 por galão e US$ 1,28 por galão, respectivamente, dessa forma.
Para concluir as diferenças entre as tecnologias de pré-tratamento, o trabalho mostrou dois extremos de uma fábrica que se propõe a produzir etanol celulósico. Num cenário ruim, onde a unidade tem baixa eficiência e os preços elevados de matéria-prima, os custos de produção crescem até US$ 4,10/galão.
Já no cenário mais desejado, de uma usina com alta eficiência e geração própria de energia, os custos caem crescem apenas US$ 0,32/galão.
Mais detalhes sobre o trabalho na reportagem Custo de produção estimado do etanol celulósico nas 6 maiores usinas do mundo.
Marina Gallucci – NovaCana
Em todas as plantas de etanol celulósico do mundo o desafio tem sido o mesmo: o pré-tratamento. Apesar de, inicialmente, ser considerada uma etapa simples, Raízen, Granbio, Poet, Beta Renewables, Abengoa (usina comprada pela Synata Bio) e DuPont – as seis plantas de E2G em escala comercial – têm encontrado dificuldades nessa fase de produção.
