BASF

Implantação da hidrólise nas usinas de etanol e açúcar


A inserção da hidrólise no contexto do setor sucroalcooleiro consiste em integrar a planta produtora com a tecnologia de hidrólise com a destilaria padrão proposta neste estudo. É proposto um modelo para implantar a hidrólise em estágios (2015 e 2025), considerando, entre outros, os seguintes aspectos:

  • As tecnologias disponíveis e seu grau de maturidade s nos marcos de 2015 e 2025;
  • O potencial de geração de excedentes de bagaço e palhiço para hidrólise e produção de energia;
  • O atendimento das necessidades de vapor e energia elétrica para operar a destilaria convencional de etanol e a hidrólise, bem como a geração de energia elétrica excedente para comercialização;
  • A operação combinada dos processos de forma que a destilaria, provida de facilidades adicionais, realize a conversão dos licores de hidrólise em etanol associados aos processos de produção de etanol dos açúcares extraídos da cana;
  • A operação de ambos os processos de forma sustentável, gerando o mínimo de efluentes, tratando-os a fim de evitar impactos ambientais negativos e racionalizando uso de água.

Estágio tecnológico dos processos avaliados

Esta projeção se baseia nos processos de produção de etanol por hidrólise de bagaço. O melhoramento do processo DHR vem registrando avanços no desenvolvimento de uma instalação industrial para sacarificar o bagaço, no que diz respeito a:

  • Pré-tratamentos do bagaço;
  • Alimentação forçada de bagaço;
  • Materiais de construção;
  • Abrasão e corrosão relacionadas às condições de hidrólise.

O ataque do material ligno-celulósico por meio de tecnologia organosolv, empregando uma mistura etanol com água, foi comprovado e se mostra eficiente, conferindo à reação tempos relativamente curtos. No caso de pré-tratamento com hidrólise ácida simultânea, este tempo de reação é de 5 a 10 minutos.

Também foi provada a operação contínua de todo o processo, incluindo pré-tratamento, sacarificação, recuperação do licor e do solvente e separação da lignina. Todavia, ainda não há a comprovação do rendimento, do balanço energético e da viabilidade econômica de produção de etanol por este processo.

Quanto ao processo IOGEN, também está sendo testado numa escala de demonstração, sendo que estágios como o pré-tratamento, a sacarificação enzimática e a produção da enzima foram demonstradas.

Os principais entraves continuam sendo:

  • O elevado custo da enzima, devido à baixa produtividade da mesma, que pesa significativamente na formação do custo de produção de etanol pela hidrólise enzimática;
  • O elevado consumo energético (vapor de processo e energia elétrica) associado ao processo.

Examinando as informações disponíveis, conclui-se que a IOGEN ainda não tem uma solução disponível para transformação das pentoses em etanol.

Os licores hidrolíticos finais apresentam um título muito baixo de ART, o que leva a um consumo energético elevado e a um aumento do volume de vinhaça gerado por litro de etanol produzido.

O rendimento declarado de 283,5 litros de etanol por tonelada de palha de trigo (base seca) é uma projeção ainda não atingida na prática.

A eficiência de conversão de hexoses pela via enzimática atende às expectativas, e o avanço desta tecnologia depende fundamentalmente de um aumento de produtividade do complexo de celulase.

Processos tais como a sacarificação e fermentação simultânea estão bastante longe de serem levados à prática industrial. A IOGEN descarta o emprego dos mesmos em curto prazo.

Outros processos de hidrólise enzimática em estudo

Outros processos de hidrólise enzimática estão sendo estudados no mundo, porém, em menor escala. Os assuntos específicos que estão sendo tratados e cujos maiores ou menores avanços serão determinantes para atingir um processo comercial de hidrólise são:

  • Determinação das propriedades físicas e químicas do material ligno-celulósico, a fim de otimizar os pré-tratamentos e a conversão a açúcares redutores;
  • Pré-tratamentos do material ligno-celulósico a fim de desestruturar a matriz celulose-hemicelulose-lignina e acelerar a catálise enzimática, minimizando a geração de inibidores de fermentação e produtos que desativam a celulase;
  • Produção de um complexo enzimático de alta produtividade de transformação da celulose em ART a baixo custo;
  • Desenvolvimento de reatores para sacarificação e rotas de sacarificação separada ou associada à fermentação alcoólica;
  • Processos de remoção de inibidores da fermentação alcoólica resultante do pré-tratamento do resíduo e fermentação do licor de hidrólise;
  • Desenvolvimento da fermentação das pentoses a etanol;
  • Otimização energética do processo de hidrólise.

Inserção da planta de hidrólise do bagaço anexa à destilaria para aumentar a produção de etanol

Estabeleceu-se um modelo para integrar a hidrólise de bagaço junto à destilaria padrão (12.000 toneladas de cana por dia de moagem), empregando os excedentes de bagaço como matéria-prima. O modelo considera a supressão do uso de queimadas no canavial, adotando-se o corte e a colheita mecanizada da cana, com a recuperação parcial do palhiço e resíduos de colheita, levando-se em consideração que para a data de introdução da hidrólise estas tecnologias estarão disponíveis.

Para a introdução da hidrólise comercial, fixaram-se dois marcos: 2015 e 2025. O primeiro refere-se a um cenário de introdução da hidrólise com uma primeira versão da tecnologia, que permite rendimentos de recuperação de açúcares redutores com valores intermediários. São aproveitadas unicamente as hexoses, por não se dispor ainda, nessa data, de uma tecnologia de fermentação de pentoses (demonstrada) que as transforme em etanol. Nesse cenário, a tecnologia empregada poderá ser tanto um processo ácido otimizado (hidrólise catalisada por ácidos diluídos em dois estágios e empregando reatores em contracorrente ou hidrólise ácida organosolv) quando hidrólise enzimática, correspondendo aos cenários [2] e [4] descritos anteriormente, referente ao potencial do bagaço para produção de etanol. No segundo marco (2025), o processo estaria otimizado a um grau que permitiria altas conversões de substrato, aproveitamento das pentoses e catálise enzimática. Esta condição corresponde ao cenário [5] exibido na tabela potencial de transformação do bagaço em bioetanol.

O modelo em estudo considera uma unidade de hidrólise anexa à destilaria, que sacarifica o bagaço a um licor rico em ART, com a purificação e concentração deste licor. A fermentação, destilação e desidratação de etanol são realizadas na destilaria que produz etanol de açúcar de cana segundo o processo convencional.

Com o propósito de estabelecer as condições para operar a hidrólise, foi realizado um estudo preliminar, a fim de estabelecer a disponibilidade de bagaço e palhiço para operar o conjunto nas duas situações. A pesquisa envolveu, entre outros, os seguintes aspectos:

  • Expectativas de recuperação de palhiço para os dois cenários;
  • Demandas de vapor de processo para operação da fermentação, destilação, retificação, desidratação e concentração de vinhoto;
  • Projeção das demandas de vapor de alta pressão no processo e para geração de energia elétrica;
  • Maximização da produção de energia elétrica e da geração de excedentes de bagaço pela destilaria.

Os resultados obtidos, para ambas as situações, conduziram a optar por um processo de hidrólise que opera junto com a destilaria e unicamente durante a safra.

Sobre este modelo, realizaram-se os estudos relacionados à demanda de insumos, investimentos, custos de produção e outros. O trabalho realizado não se esgota aqui, sendo que ele abrirá espaço para um detalhamento maior, assim como para a necessidade de dimensionar e avaliar alternativas, como também confrontá-lo com outros alternativos futuramente.

Também com o objetivo de simplificar optou-se, em ambos os cenários, por dimensionar a hidrólise para um processo enzimático, permitindo-se compará-los (um estudo semelhante considerando a hidrólise ácida poderá ser realizado oportunamente), a fim de analisar, entre outros, os seguintes quesitos:

  • Ganhos de escala;
  • Geração de excedentes de bagaço;
  • Aumento da eficiência de conversão de bagaço em etanol;
  • Impacto dos avanços tecnológicos, tais como: diminuição do custo da enzima, introdução da fermentação das pentoses, operação com ciclos de geração de vapor e energia elétrica mais eficiente;
  • Atendimento de expectativas de sustentabilidade ambiental, tais como: mínima captação de água para o processo e geração de efluentes.

Memorial descritivo sumarizado do processo proposto

Processo de hidrólise anexo à destilaria padrãoProcesso de hidrólise anexo à destilaria padrão

Essas são as etapas do processo de hidrólise proposto neste estudo e sua integração com a destilaria padrão, descrita anteriormente. A tecnologia aqui empregada se fundamenta na proposta da IOGEN (atualmente em demonstração em unidade piloto), adaptada à nossa matéria-prima e ao modus operandi de uma destilaria de etanol de cana-de-açúcar. A tecnologia se baseia no pré-tratamento com vapor e ácido sulfúrico do material ligno-celulósico, sacarificação deste material pré-tratado em suspensão aquosa e usando um preparado enzimático bruto. O licor resultante da sacarificação é fermentado associado a mostos provenientes da sacarificação de amidos, e, em sequência, submetido à destilação, retificação e desidratação final.

O processo estabelecido para hidrólise de bagaço considera uma unidade de retirada deste material da destilaria, pátio de estocagem, equipamento de movimentação (do bagaço), limpeza para remoção de matéria mineral, classificação do em frações e transporte até o sistema de pré-tratamento. Na sequência, o bagaço sofre o processo de pré-tratamento num reator contínuo, onde é impregnado com ácido sulfúrico e submetido à ação do vapor de alta pressão (30 bar), que passa por posterior expansão espontânea (steam-explosion). O bagaço, após este pré-tratamento de deslignificação, é suspenso em água (aproximadamente a 5% de sólidos em suspensão); incorporado ao meio, o preparado de enzima celulase é sacarificado em reatores agitados em batelada, até a conversão de celulose em ART.

O licor, com aproximadamente 3% a 6% de ART fermentescível (inicialmente das hexoses), é tratado para remoção de matéria em suspensão, pré-concentrado e enviado à destilaria, onde é misturado com mosto resultante da concentração do caldo de cana. O mosto composto de açúcares da cana e açúcares provenientes da hidrólise é fermentado pelo processo convencional, destilado, retificado e desidratado. A tabela abaixo apresenta os parâmetros técnicos da planta proposta.

Parâmetros técnicos da hidrólise anexa à destilaria

Item20152025
Pré-tratamento Explosão com valor e adição de H2SO4
Sacarificação enzimática 48 horas de reação 24 horas de reação
Licor final pré-concentrado para fermentação 25% 29%
Fermentação das pentoses Não Sim
Fermentação Contínua ou batelada junto com o mostro da destilaria
Destilação, retificação e desidratação Destilação múltiplo efeito e peneiras moleculares
Etanol produzido (m3/dia) 151 381
Concentração térmica do vinhoto em 6 estágios 50% do volume inicial 33% do volume inicial
Vinhoto final (m3/m3 etanol) 5 3
Vinhoto final (m3/dia) 730 1080
Lignina produzida como bagaço equivalente (t/dia) 685 1088

O vinhoto final, independente de se originar dos açúcares da cana ou da hidrólise, é concentrado termicamente para reduzir seu volume (a 50% no cenário de 2015, e a 33% em 2025). As águas condensadas resultantes da concentração do caldo e do licor são empregadas no estágio de sacarificação do bagaço, minimizando o consumo de água e a geração de efluentes líquidos.

A seguir apresentamos os parâmetros operacionais do modelo proposto. Operando a hidrólise junto com a safra, é possível, por meio de um sistema de geração de vapor e produção de energia elétrica, criar o máximo de excedente de bagaço disponível na cana e do palhiço recolhido para hidrólise, suprir a demanda de vapor de processo e gerar a energia elétrica necessária para operar a produção de etanol dos açúcares extraíveis da cana e daqueles produzidos a partir da hidrólise de bagaço. Ainda como apresentado na figura, em ambos os cenários é gerada simultaneamente uma quantidade considerável de energia elétrica excedente para a rede.

Parâmetros operacionais da hidrólise anexa à destilaria

Item20152025
Moagem total 2.000.000 toneladas/safra 2.000.000 toneladas/safra
Moagem diária 12.000 toneladas de cana 12.000 toneladas de cana
Dias de safra 167 167
Excedente de bagaço e palhiço com bagaço equivalente 47,48% 76,03%
Bagaço para hidrólise 268.350 toneladas/safra 462.451 toneladas/safra
Etanol do processo convencional (m3/safra) 182.000 87,83% 185.000 74,43%
Etanol da hidrólise (m3/safra) 25.228 12,17% 63.542 25,57%
Etanol total (m3/safra) 207.228 100,00% 248.542 100,00%
Vapor do processo (2.5 bar) destilaria (kg/tc) 353 72,91% 372 71,79%
Vapor de processo (2.5 bar) bioetanol de hidrólise (kg/tc) 131 27,09% 146 28,21%
Total (kg/tc) 484 100,00% 518 100,00%
Energia elétrica para a destilaria (kWh/tc) 28 29,48% 28 27,34%
Energia elétrica para a hidrólise (kWh/tc) 17,65 18,58% 19,68 19,22%
Excedente de energia elétrica (kWh/tc) 49,34 51,94% 54,71 53,43%

Bases do Modelo

A unidade de hidrólise é fundamentalmente dedicada à produção do licor de açúcares redutores. As operações de concentração térmica, fermentação alcoólica, destilação, etc., são realizadas na destilaria convencional. Isto significa que o modelo proposto utiliza a tecnologia de sacarificação e fermentação em separado. Considera-se que esse modelo é o que mais se ajusta à condição de hidrólise associada a uma destilaria de etanol de cana-de-açúcar. Argumentos como o fato de ter sido provado em laboratório, empregar uma tecnologia de fermentação dominada no Brasil e se adaptar com o mínimo de modificações e incorporações reforçam a consistência dessa opção. Em contraposição, existem as alternativas de sacarificação e fermentação simultânea e de micro-organismos que tem potencial de bio-sintetizar as enzimas sacarificantes e simultaneamente produzir etanol.

Essas tecnologias alternativas ao modelo proposto, no estágio de desenvolvimento atual e considerando as informações disponíveis sobre elas, não apresentam um grau de maturidade para serem inseridas, neste momento, nos cenários em estudo. Os processos simultâneos de hidrólise e fermentação são incompatíveis com a fermentação alcoólica convencional praticada em nossas destilarias. Os resultados apresentados pelos que defendem estas estratégias foram obtidos unicamente em laboratório e são preliminares, não havendo informações complementares de balanços de massa e energia e de parâmetros de desempenho.

A unidade de hidrólise aqui proposta não dispõe de um parque de utilidades (vapor, energia elétrica, águas e efluentes), pois estas são providenciadas pela destilaria padrão. Também não produz a enzima celulase por uma questão de escala inadequada, admitindo-se que adquire este preparado bruto de uma unidade autônoma localizada estrategicamente, que produz a celulase para várias unidades de hidrólise. A celulase é produzida por fermentação aeróbica, seguindo o protocolo básico de produção descrito pela IOGEN, obtendo-a após os estágios de separação e remoção de material em suspensão, um preparado que contém a enzima e um conservante, para uso direto na etapa de sacarificação.

Na apuração de custos, o vapor e a energia elétrica necessários para atender a unidade de hidrólise, que são providenciados pela destilaria, são computados aos valores de mercado (R$ 10,00 a tonelada de vapor e R$ 120,00 o MWh de eletricidade), como proposto pelo CTC.

O investimento adicional da evaporação de caldo, assim como seus os custos operacionais, são atribuídos à unidade de hidrólise, pois os mesmos são decorrentes da necessidade de adequar o licor de hidrólise às condições necessárias para serem incorporados no processo de produção de etanol da destilaria. O aumento de capacidade da fermentação, destilação, retificação, desidratação, tratamento do vinhoto e estocagem de etanol são levados em conta na apuração dos investimentos da unidade de hidrólise.

Custos e investimentos associados à produção de etanol de bagaço

Examinando-se os valores estimados para o modelo proposto, nota-se uma forte influência do montante de investimentos na formação de custo de processamento de bagaço. A importância desses custos diminui assim que aumenta o fator de escala, quando se passa da capacidade prevista em 2015 para 2025.

Custo de produção do bioetanol de hidrólise

Item 2015 2025
Valor do bagaço R$ 17,20 por tonelada R$17,20 por tonelada
Processamento do bagaço 268 mil toneladas/ano 426 mil toneladas/ano
Estimativa dos investimentos envolvidos R$ 124 milhões R$133 milhões
Item Valor unitário (R$/ bagaço) Participação (%) Valor unitário (R$/t bagaço) Participação (%)
Obras civis 0,48 0,33 0,50 0,47
Equipamentos 80,69 56,10 52,45 49,00
Mão de obra 4,22 2,93 2,65 2,47
Insumos 50,97 35,44 46,26 43,22
Outros 7,47 5,20 5,18 4,84
Custos de processamento do bagaço R$ 143,83/tonelada R$ 107,04/tonelada
Custo de produção do etanol R$1,53/litro R$0,72litro

Quanto a estes investimentos, os equipamentos compõem a maior parte do montante, sendo que os relacionados à unidade de sacarificação são os que mais pesam (80%), e deverão ser examinados e aprimorados sistematicamente a fim de incorporar inovações tecnológicas que impliquem redução dos valores envolvidos.

O impacto da melhoria de tecnologia que se traduzir em ganhos de produtividade, por exemplo, o desenvolvimento de enzimas mais produtivas ou um processo de pré-tratamento do bagaço mais eficiente, incidirão fortemente na redução dos custos. O aumento dos valores dos investimentos envolvidos, quando se passa de 2015 a 2025, é pouco significativo (7,3%), mas o ganho no processamento do bagaço (59,0%) explica boa parte da redução do custo de produção do etanol em 52,9%, mostrando a importância dos ganhos de produtividade decorrentes da redução do tempo de reação.

A formação do custo do etanol indica uma forte contribuição dos investimentos em capital fixo, sendo esta bem maior que nos estudos de custos apresentados por outros autores.

O motivo da forte incidência se deve ao fato da unidade operar unicamente durante a safra (167 dias), enquanto que as estimativas técnico-econômicas apresentadas na bibliografia são todas operando 330 dias. A necessidade de operar apenas 167 dias é decorrente de gerar maior excedente de bagaço e gerar simultaneamente o máximo de energia elétrica. Também estas estimativas empregam escalas de produção bem maiores que as propostas nesse modelo. Considerando que este modelo está fundamentado numa destilaria otimizada para um raio de transporte de cana, em princípio parece difícil justificar escalas maiores em termos de transporte de cana e recolhimento de palhiço.

A formação do custo foi traçada num preço base de R$ 17,20 para a tonelada de bagaço; este fator incide significativamente no custo dos insumos. Este valor conservador parece representativo, considerando que não estão ainda disponíveis estimativas confiáveis para o custo do palhiço colocado na usina.

No modelo proposto, admitiu-se a compra da energia elétrica e o vapor de processo da usina. Novamente, o custo da energia elétrica pesa fortemente na formação do custo do etanol; os valores aqui atribuídos poderão ser reajustados quando se dispuser de dados mais representativos das operações de venda da energia elétrica gerada pelas destilarias.

Para o preparado de celulase, foi empregado o valor utilizado nos estudos realizados pelo NREL-USA, por não se dispor, ainda, de dados do custo de produção deste insumo no Brasil.

Examinando o custo de produção de etanol, o cenário de 2025 se mostra altamente favorável; o de 2015, embora num exame preliminar possa se apresentar desfavorável, deve-se considerar a forte incidência do valor dos insumos, bagaço e energia elétrica e o fato de que uma análise de viabilidade econômica tem que levar em conta a receita obtida da venda dos três produtos: etanol dos açúcares de cana, etanol da hidrólise e energia elétrica para a rede.

A oferta adicional de etanol de 14% em 2015 e 34% em 2025 é muito representativa e positiva, considerando as metas do estudo realizado: aumento da produção de etanol, melhor aproveitamento da biomassa de cana e da área cultivada.