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.
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 ART | Valor 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:
As mudanças tecnológicas tratam de tecnologias provadas, que estão disponíveis e não são adotadas por diversos motivos, tais como:
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.
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:
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.
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.
| Tecnologia empregada | Consumo de vapor kg/m3 de AEHC | Consumo de energia elétrica kW/m3 de AEAC | Energia 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:
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.
| Item | Destilaria padrão | Destilaria 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.