Fermentec e UFSCar receberão aporte de R$ 2,2 milhões para inteligência artificial usada no aumento da produtividade industrial e na redução da produção de vinhaça
Um investimento na indústria 4.0 e na melhoria na automação de usinas de açúcar e etanol. É o que promete o termo de outorga de aporte financeiro, celebrado entre a Financiadora de Estudos e Projetos (Finep) e a Fermentec, empresa que trabalha com soluções tecnológicas para produção de açúcar, etanol e bioenergia. O documento foi publicado no Diário Oficial da União em 14 de abril.
O projeto, intitulado “Aplicações de inteligência artificial para aumento da produtividade industrial e redução da vinhaça em usinas de açúcar e etanol”, marca uma parceria entre a Fermentec e a Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). A intenção é otimizar o bioprocesso de fermentação para produção de etanol, por meio da adoção de um fluxo de dados em tempo real e de algoritmos computacionais que permitam ampliar a produtividade industrial e reduzir a produção de vinhaça.
O valor do instrumento é de R$ 2,22 milhões com uma contrapartida de R$ 682,65 mil. A vigência estabelecida foi de 36 meses.
Conforme descrito no projeto, as usinas produtoras de etanol apresentam bom nível de automação, porém necessitam de aplicações tecnológicas da indústria 4.0. “Uma pesquisa realizada pela Fermentec com trinta usinas revelou que 46% não tem sequer integração entre as redes de automação e as de tecnologia da informação”, detalha o documento.
Com isso, o projeto visa desenvolver um novo processo, baseado em inteligência artificial, para permitir monitoramento, controle e ajustes da fermentação industrial em tempo real para aumentar a produtividade das usinas. Neste caso, isso é possível com o aumento do teor alcoólico das fermentações e com a redução do tempo de espera para centrifugação das dornas.
Para atingir esse objetivo, os pesquisadores irão realizar experimentos em fermentadores de bancada e fazer a captação de dados reais a partir de plantas industriais. “As fermentações em biorreatores serão realizadas para estudar várias condições de operação que vão gerar rapidamente um grande conjunto de dados, essenciais para os estudos preliminares de construção das funcionalidades”, acrescenta o texto do projeto.
Outro fator destacado no documento é que a avaliação das tecnologias dentro da indústria é necessária para ajustes do processo, como é o caso do softsensor de diagnóstico e classificação, mecanismo capaz de prever a trajetória da fermentação pelo consumo de açúcar.
“Atualmente, a demora em confirmar o consumo de açúcar no final da fermentação acarreta um aumento considerável de tempo de espera para centrifugação das dornas, com impacto significativo na produtividade industrial”, pontua o documento.
Com o softsensor de inferência, o processo pode ser automatizado, informando em tempo real quando a fermentação será finalizada e reduzindo o tempo de espera para o início da fermentação seguinte.
Conforme o diretor de projetos, Marcel Lorenzi, a Fermentec tem contratos de consultoria e prestação de serviços com quase 60 usinas do setor de açúcar e etanol, além disso, a empresa já embarcou sua plataforma inteligente para indústria 4.0 em dez clientes. A tecnologia atua no monitoramento com gestão avançada e operação assistida, sendo possível acompanhar os dados de produção de etanol e, em alguns casos, de açúcar.
“Fazemos um acompanhamento dos indicadores de processo, coletando os dados em tempo real. É um facilitador para colocarmos os equipamentos que serão adquiridos pelo projeto dentro das usinas”, explica Lorenzi. A intenção é fazer a aplicação em usinas que ainda não possuam a tecnologia da Fermentec; a companhia tem preferência por usinas da região de Ribeirão Preto e São Carlos, o que deve facilitar a conexão das atividades da universidade com as da indústria.
Confira, na versão completa e exclusiva para os assinantes do NovaCana, mais informações sobre o projeto, detalhadas pelos profissionais da empresa e da instituição de ensino.
Um investimento na indústria 4.0 e na melhoria na automação de usinas de açúcar e etanol. É o que promete o termo de outorga de aporte financeiro, celebrado entre a Financiadora de Estudos e Projetos (Finep) e a Fermentec, empresa que trabalha com soluções tecnológicas para produção de açúcar, etanol e bioenergia. O documento foi publicado no Diário Oficial da União em 14 de abril.
O projeto, intitulado “Aplicações de inteligência artificial para aumento da produtividade industrial e redução da vinhaça em usinas de açúcar e etanol”, marca uma parceria entre a Fermentec e a Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). A intenção é otimizar o bioprocesso de fermentação para produção de etanol, por meio da adoção de um fluxo de dados em tempo real e de algoritmos computacionais que permitam ampliar a produtividade industrial e reduzir a produção de vinhaça.
O valor do instrumento é de R$ 2,22 milhões com uma contrapartida de R$ 682,65 mil. A vigência estabelecida foi de 36 meses.
Conforme descrito no projeto, as usinas produtoras de etanol apresentam bom nível de automação, porém necessitam de aplicações tecnológicas da indústria 4.0. “Uma pesquisa realizada pela Fermentec com trinta usinas revelou que 46% não tem sequer integração entre as redes de automação e as de tecnologia da informação”, detalha o documento.
Com isso, o projeto visa desenvolver um novo processo, baseado em inteligência artificial, para permitir monitoramento, controle e ajustes da fermentação industrial em tempo real para aumentar a produtividade das usinas. Neste caso, isso é possível com o aumento do teor alcoólico das fermentações e com a redução do tempo de espera para centrifugação das dornas.
Para atingir esse objetivo, os pesquisadores irão realizar experimentos em fermentadores de bancada e fazer a captação de dados reais a partir de plantas industriais. “As fermentações em biorreatores serão realizadas para estudar várias condições de operação que vão gerar rapidamente um grande conjunto de dados, essenciais para os estudos preliminares de construção das funcionalidades”, acrescenta o texto do projeto.
Outro fator destacado no documento é que a avaliação das tecnologias dentro da indústria é necessária para ajustes do processo, como é o caso do softsensor de diagnóstico e classificação, mecanismo capaz de prever a trajetória da fermentação pelo consumo de açúcar.
“Atualmente, a demora em confirmar o consumo de açúcar no final da fermentação acarreta um aumento considerável de tempo de espera para centrifugação das dornas, com impacto significativo na produtividade industrial”, pontua o documento.
Com o softsensor de inferência, o processo pode ser automatizado, informando em tempo real quando a fermentação será finalizada e reduzindo o tempo de espera para o início da fermentação seguinte.
Conforme o diretor de projetos, Marcel Lorenzi, a Fermentec tem contratos de consultoria e prestação de serviços com quase 60 usinas do setor de açúcar e etanol, além disso, a empresa já embarcou sua plataforma inteligente para indústria 4.0 em dez clientes. A tecnologia atua no monitoramento com gestão avançada e operação assistida, sendo possível acompanhar os dados de produção de etanol e, em alguns casos, de açúcar.
“Fazemos um acompanhamento dos indicadores de processo, coletando os dados em tempo real. É um facilitador para colocarmos os equipamentos que serão adquiridos pelo projeto dentro das usinas”, explica Lorenzi. A intenção é fazer a aplicação em usinas que ainda não possuam a tecnologia da Fermentec; a companhia tem preferência por usinas da região de Ribeirão Preto e São Carlos, o que deve facilitar a conexão das atividades da universidade com as da indústria.
Um milhão e meio de litros a mais
Entre os principais objetivos do trabalho estão a redução do tempo de fermentação e o aumento da produtividade. De acordo com o diretor científico da Fermentec, Mario Lucio Lopes, ampliar a produtividade industrial significa fazer mais com o que já está disponível no parque. “Uma das oportunidades está em uma das etapas da fermentação, que é o tempo de espera para fazer a centrifugação do levedo”, diz o diretor científico.
Ele complementa que, ainda que o Brasil tenha um processo único de fermentação no mundo, com alto rendimento, é necessário fazer o reciclo do levedo, processo com centrifugação em que o tempo de espera pode ficar em torno de duas horas.
Portanto, em um sistema com sete dornas e dois ciclos por dia, ganhar uma hora de fermentação em cada dorna equivaleria a 14 horas operacionais. Segundo Lopes, a redução se converteria em um ganho de aproximadamente 80 mil litros a mais por dia – considerando 200 dias de safra, o volume total por temporada seria um excedente de 1,6 milhão de litros de etanol.
Ele conta que, para atingir esse cenário, é necessário muito controle e conhecimento dos desvios para corrigir o processo já no curso da fermentação. Além do aumento da produção, outra vantagem é a redução dos volumes de vinhaça produzidos. “Aproveitamos melhor as instalações, reduzimos o custo fixo dessas usinas e damos um poder maior para o setor se tornar mais competitivo”, enxerga o diretor científico.
Para ele, fica claro que as usinas que não aderirem ou tiverem um baixo nível tecnológico possuirão perdas de processo. “Quando monitoramos on-line e temos a chance de corrigir os processos e evitar desvios, reduzimos as perdas. Ganhamos tempo, rendimento e produtividade industrial”, relata.
Lopes ainda explica que existem perdas com a aplicação excessiva de insumos, redução de qualidade no produto, ou uma fermentação com teor alcoólico muito baixo.
O Brasil produziu na temporada 2021/22 cerca de 30 bilhões de litros de etanol e, segundo o diretor, se não fosse a quebra de safra, o valor chegaria a 34 bilhões. “Imagina se todas as usinas tivessem uma melhoria em seus processos. Se conseguirmos um ganho de produtividade de 10%, usando as mesmas instalações, estamos falando em 3 bilhões de litros de etanol [a mais] no mesmo período. Em termos financeiros são quase R$ 12 bilhões com etanol hidratado”, estima.
Além disso, ele destaca que cada 34 mil litros de etanol geram uma carteira assinada. Com 3 bilhões de litros de etanol, seriam aproximadamente 100 mil empregos a mais.
De acordo com a coordenadora de pesquisas em fermentação e seleção de leveduras da Fermentec, Silene Cristina de Lima Paulillo, o objetivo do projeto é que cada 1% a mais de teor alcoólico em uma fermentação resulte em 20% de aumento de produtividade industrial. “É a meta que temos nesse projeto. Tem outras coisas que não mensuramos e que irão contribuir”, diz.
Informações em tempo real
O diretor científico da Fermentec cita um trabalho feito pela própria empresa intitulado “Impacto da automação no processo de preparo e distribuição de mosto e fermentação”, de Paulo Roberto Vilela.
Na pesquisa, foram comparadas usinas com três classes de automação: automático, semiautomático e manual. “As companhias que estavam mais envolvidas em níveis de automação e que dependiam menos de ajustes manuais tinham ganho significativos, inclusive com redução de insumos”, explica.
Lorenzi afirma que o nível de automação não tem relação com a localização das usinas. “À medida que tem um investimento maior de automatização dos controles e processos, tem uma produtividade e eficiências maiores, dosa melhor os insumos e tem um controle mais fino do processo. Isso torna a condução mais eficiente e as fermentações melhores”, observa.
Quando a fermentação é monitorada, o convencional e retirar amostras e aplicar métodos analíticos que podem demorar de meia hora a uma hora para ficarem prontos, conforme explica a professora da UFSCar, Teresa Cristina Zangirolami. “A informação está sempre atrasada em relação ao processo. Por outro lado, quando a fermentação está em andamento, ela fornece muitas informações em tempo real e elas são relativamente acessíveis”, detalha.
Entre esses dados estão a produção de gás carbônico e a liberação de calor. “A cinética, que é como a reação ocorre com o tempo, como a produção de etanol está acontecendo, o consumo dos açúcares: tudo isso pode ser feito com modelos matemáticos em que simulamos, por meio de curva, o que está acontecendo na fermentação em tempo real”, relata.
Com isso, o mecanismo pode oferecer uma trajetória e uma previsão somente usando recursos computacionais, ficando mais fácil projetar em quanto tempo uma fermentação vai acabar, de acordo com a professora.
Dentre os diferenciais prometidos no projeto, também está o especialista virtual. Conforme Zangirolami, um problema recorrente nas usinas é a falha humana. Assim, a intenção é desenvolver um especialista virtual que vai ser alimentado com informações disponíveis em tempo real e dar um diagnóstico. Ela detalha que o sistema estará sempre acessível para o responsável pelo processo: “Isso vai gerar um ganho de minimização de falhas, redução de tempo de processo e terá um impacto na parte econômica”.
“A usina não precisa ficar esperando para centrifugar. Esse sistema inteligente vai dizer: a sua dorna estará pronta para ser centrifugada em 30 minutos. A mesma coisa acontece em relação às fermentações que não estão indo bem. Como temos previsão, já saberemos de qualquer fermentação que se desviar dessa simulação. Isso pode ser repassado para o responsável na usina, para ele decidir o que fazer”, Teresa Cristina Zangirolami (UFSCar)
Campo ainda é essencial
Ainda que os gargalos na indústria sejam passíveis de serem resolvidos, a situação no campo é mais complexa e, por vezes, independe da atuação da usina. Lopes declara que a indústria sucroenergética segue muito vulnerável em relação ao clima.
“Se chover muito, as máquinas não podem entrar no campo para fazer a colheita. Se chover pouco, a cana perde desenvolvimento e vai ter uma quebra de safra. Sempre vamos ter algum efeito do clima”, exemplifica.
Por outro lado, com a melhoria nas etapas industriais, ele acredita ser possível amenizar alguns malefícios incontroláveis. Monitorando o processo, passa a ser factível dominar as condições que afetam a fermentação, acelerando as etapas, aumentando o teor alcoólico e mudando a produção e a composição da vinhaça, conforme destaca Lopes.
“Hoje, no Brasil, existem algumas usinas trabalhando com teores alcoólicos de 12% enquanto a média nacional é de 8% a 8,5%. Quando subimos este teor, há efeito direto na redução do volume de vinhaça que é gerado”, explica Lopes. Ainda assim, esse resíduo segue rico em potássio, que é um fertilizante amplamente usado na indústria sucroenergética, ficando até mesmo mais concentrado.
“Com a tecnologia, a automação, a internet 4.0 e o monitoramento on-line, conseguimos melhorar o desempenho. Se faltar potássio para a cana, a produtividade despenca. E entre 85% e 90% dos nossos fertilizantes à base de potássio é importado. Hoje, entre 30% e 40% do potássio volta para o canavial e o restante temos que importar”, complementa o diretor científico.
Lopes relata que algumas usinas levam a vinhaça para áreas mais distantes do canavial por meio de canais e tubulações, enquanto outras unidades precisam levar por caminhões, aumentando o gasto com diesel e com manutenção da frota. Ele complementa ainda que as áreas mais distantes da planta carecem de potássio, ao mesmo tempo em que as mais próximas das usinas ficam saturadas.
Este balanço, de acordo com ele, diminui a disponibilidade de água para as plantas e passa a ser necessário levar a vinhaça para uma área maior do canavial. A melhor distribuição, por sua vez, está ligada à necessidade de aumentar o teor alcoólico e controlar melhor os processos de fermentação.
A evolução depende de investimentos diversos. Lopes relembra que o país viveu a entrada de grandes grupos adquirindo usinas e formando conglomerados, com mais recursos para investimento e outra mentalidade de gestão. Por outro lado, também há usinas que ficaram isoladas e acabaram passando por dificuldades em tempos de crise do mercado, deixando os investimentos para um segundo momento.
“Tivemos um período muito difícil no país, usinas fecharam as portas e não tiveram como acompanhar a melhoria tecnológica. Isso trouxe problemas para unidades que não estão dentro de grandes grupos. Temos a convicção de que esse cenário está mudando e o etanol está ganhando valor”, Mario Lucio Lopes (Fermentec)
Etanol de milho
Com o crescimento da produção de etanol de milho no Brasil, é natural pensar nas adaptações das ferramentas também para essa indústria. Conforme Marcel Lorenzi, da Fermentec, a tecnologia aplicada para o renovável feito com o grão é diferente da usada para a cana, mas não necessariamente mais moderna, ainda que muitas plantas sejam mais novas.
“As tecnologias das usinas de etanol de milho são americanas, não tem o diferencial que é o reaproveitamento da levedura no final da fermentação, mas tem o uso de centrífugas”, relata. Ele complementa que o caldo da cana tem um mosto com grau de pureza baixo e precisa de líquido para separar as células de levedura da fermentação, sendo que no processo convencional americano existe o tratamento enzimático do milho, com teores sólidos mais elevados e uma dinâmica diferente de condução da fermentação.
“Nós desenvolvemos uma tecnologia de etanol de milho em que introduzimos o reciclo de leveduras. Pensando da ótica do projeto, a mesma oportunidade que temos para as indústrias de cana em relação a monitoramento em tempo real, com gestão da eficiência, existe a oportunidade da indústria do milho”, explica o diretor de projetos.
Lopes complementa que a tecnologia está muito relacionada com a matéria-prima, uma vez que a cana-de-açúcar tem grande influência do clima na colheita. “Eu já visitei uma planta de milho nos Estados Unidos. Ia ter uma tormenta e tudo funcionava normalmente, pois o milho é produzido durante uma determinada época do ano e é estocado”, relata.
Com isso, ele reconhece que o Brasil tem um distanciamento tecnológico e uma chance de desenvolver outras culturas e processos para que as usinas brasileiras possam produzir etanol o ano inteiro e não somente por meio da cana. Lopes cita o caso das unidades flex – que aliam a produção de etanol com milho e cana –, possibilidade que compensa economicamente para a indústria.
“Quanto à parte das medições e processos, o Brasil ainda produz o etanol mais barato do mundo. Temos essa vantagem competitiva, mas não podemos nos acomodar, pois temos períodos em que a safra está parada”, pondera.
Para Lopes, é possível colocar a pesquisa a serviço do setor produtivo e diminuir os desafios tecnológicos identificados em cada indústria. Se as fermentações de milho duram de 65 a 70 horas, existem tecnologias para reduzir esse tempo de fermentação para 25 horas, conforme o diretor científico.
O presidente da Fermentec, Henrique Berbert de Amorim Neto , esclarece que a indústria de etanol de milho é mais automatizada, com menos profissionais na planta, enxergando oportunidades com a aplicação da indústria 4.0. “Existe um espaço para chegar na automação que acontece nas plantas de etanol de milho. Umas das principais oportunidades é começar a fazer uma fermentação com reciclo de levedura”, destaca.
Ele completa que isso possibilita a fermentação de uma quantia maior de levedura e de forma mais rápida, sem precisar gastar o amido do milho para produzir biomassa suficiente para colocar na dorna de fermentação. Desta forma, é gerado um aumento do rendimento fermentativo e a possibilidade de usar a sobra da levedura junto ao farelo de milho, aumentando o seu teor proteico e o valor de mercado.
Aplicação da verba
O recurso de R$ 2,22 milhões já tem destino certo. Conforme detalha o diretor de projetos, a Fermentec terá uma contrapartida de cerca de 31% deste valor e irá contribuir com o envolvimento da sua equipe do projeto.
Aproximadamente 50% do montante será destinado para a aquisição de dois equipamentos a serem colocados nas usinas para realizar o trabalho de acompanhamento. Outros 40% serão investidos dentro da universidade e os 10% restantes serão usados em despesas operacionais. Os valores serão gastos ao longo de três anos.
Dos R$ 600 mil que serão investidos na universidade, cerca de metade será usada para o pagamento de bolsa para pesquisadores. “Temos a captação de três jovens talentos para desenvolverem os temas em um mestrado acadêmico vinculado ao programa de pós-graduação em engenharia química”, explica a professora Teresa Cristina Zangirolami.
Além disso, será contratado um pesquisador júnior com formação em doutorado. “Esses quatro atores têm um papel fundamental na execução do projeto, pois farão a ponte das atividades que vão ser realizadas no laboratório, com a Fermentec, indo para a usina”, completa.
Já 10% do valor será aplicado para aquisição de material de consumo de laboratório e licença de um software; e 15% será destinado para aquisição de equipamentos. O restante será usado para taxas institucionais do departamento, da fundação de apoio e da universidade.
Primeiros passos
Segundo a coordenadora Silene Cristina de Lima Paulillo, da Fermentec, foi a professora Zangirolami quem alertou a equipe da Fermentec sobre o edital, uma vez que a empresa e a instituição de ensino já possuíam certa interação. “Estávamos no meio da pandemia e tínhamos um prazo curto se quiséssemos entrar no projeto, mas encaixava muito com as nossas propostas”, detalha.
Já em relação à UFSCar, Zangirolami explica que, quando teve contato com o edital, lembrou que a instituição participa, desde 2016, de um projeto temático financiado pela Fapesp, com desenvolvimento de tecnologias de indústria 4.0, inteligência artificial, modelagem de bioprocessos e análises técnico-econômica. “Aliando as duas partes, poderíamos atualizar e gerar um produto inovador nessa linha já existente da Fermentec”, completa.
Mario Lucio Lopes destaca que os países que têm conseguido os melhores resultados em pesquisa e desenvolvimento, inovação e transferência de tecnologia são justamente os que integram os setores acadêmico e industrial.
“A Fermentec sempre investiu de 15% a 20% do seu faturamento em pesquisa. Com advento de tecnologias disruptivas e mais baratas, há cada vez mais oportunidades em ramos completamente diferentes,” diz o presidente da Fermentec, Henrique Berbert de Amorim Neto. Ele ainda complementa que com a diversificação de produtos no setor sucroenergético nos últimos anos, a empresa iniciou novas parcerias.
Fases do projeto
O trabalho realizado em parceria pela Fermentec e pela UFSCar foi dividido em etapas. De acordo com diretor científico, os trabalhos em bancada serão os primeiros, feitos em minireatores nos laboratórios. Em seguida, será feita uma análise de dados que são coletados das próprias usinas e das fermentações em laboratório para avaliar qual é a grandeza do problema ou dos possíveis benefícios com a melhoria da produtividade dos processos industriais.
A expansão dos equipamentos para realização do monitoramento, acompanhamento do controle do processo e ajustes vêm em seguida. Uma das últimas etapas é a avaliação técnica-econômica do ganho potencial que pode ser gerado com a pesquisa quando a tecnologia for efetivamente aplicada, segundo Lopes.
“Não adianta a pesquisa ser desenvolvida nos mais altos padrões de tecnologia e conhecimento se ficar retida dentro dos laboratórios universitários. Do outro lado, a indústria não vai conseguir se modernizar, sobreviver aos cenários de incerteza que vivemos atualmente, se não tivermos um avanço tecnológico e de conhecimento, com melhoria nos processos, que serão alicerçados pela pesquisa”, Mario Lucio Lopes (Fermentec)
Já do lado da UFSCar, será realizada a etapa de seleção das pessoas para assumirem as bolsas e o cargo de pesquisador, por meio de edital. “A perspectiva é atrairmos jovens talentos e o pessoal adequado. Várias atividades são realizadas simultaneamente”, completa a professora da instituição.
Ela relata que os experimentos em bancada permitem a realização de estudos mais controlados dos usos das tecnologias. “Os dados que vêm dessas tecnologias são brutos e necessitam de um tratamento matemático para que a gente consiga extrair a informação que queremos”, explica e compara que eles são diferentes de outros procedimentos analíticos que as usinas estão mais acostumadas, onde a informação fica diretamente disponível.
Dentro do ambiente controlado do laboratório, a equipe pode variar condições de realização das fermentações, reproduzindo exatamente o que a usina faz, inclusive com as suas falhas, e entender como os equipamentos respondem. Com isso, é possível treinar o desenvolvimento dos sensores que farão o tratamento matemático para extração das informações.
“Isso ocorre em paralelo no laboratório e com as informações que a Fermentec já tem das usinas parceiras. Será trabalhado pelos alunos de mestrado, pelo nosso time de pesquisadores para desenvolver as soluções e comparar com os resultados de bancada”, complementa Zangirolami.
Gabrielle Rumor Koster – NovaCana
