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.
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.
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 tabela abaixo reproduz os resultados característicos segundo estudos conduzidos pelo ICICDA.
| Composição % (base seca) | Bagaço | Fibra | Medula | Palhiço |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
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.
| 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 |
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:
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.
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.
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:
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:
| Cenário | Conversões previstas | Etanol Hexoses | Etanol Pentoses | Etanol 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 |