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Etanol celulósico: o bagaço da cana-de-açúcar como matéria-prima para a hidrólise


novaCana.com - 16 out 2013 - 06:10 - Última atualização em: 27 ago 2014 - 17:08

Este estudo continua:

  1. A hidrólise para a produção de etanol a partir de resíduos vegetais
  2. Etanol celulósico: o bagaço da cana-de-açúcar como matéria-prima para a hidrólise
  3. Disponibilidade de bagaço e palha para os processos de hidrólise
O trabalho pode ser acessado na íntegra no pdf: Conversão da celulose pela tecnologia organosolv
Identificamos o setor sucroalcooleiro como aquele que apresenta o maior potencial para implantação comercial da produção de etanol, a partir de hidrolisado de matéria lignocelulósica. Uma vez introduzida no setor sucroalcooleiro, esta tecnologia poderá ser estendida a outros setores industriais que, também, poderão gerar grandes volumes de resíduos sólidos de origem vegetal.
Como o setor sucroalcooleiro já produz etanol hidratado e anidro carburante, já possui as utilidades e a infraestrutura para produção e estocagem do produto final, podendo esta estrutura ser partilhada com as novas unidades de hidrólise.
As matérias-primas disponíveis para hidrólise são: o bagaço da cana e os resíduos da colheita, os quais estão disponíveis em grande volume e próximos das instalações industriais, o que resulta em um baixo custo de oportunidade.

As usinas e destilarias são autossuficientes na geração de energia térmica, mecânica e elétrica, podendo ainda, gerar todas as utilidades e o excesso de bagaço que serão utilizados no processo de hidrólise. Possuem também, a infraestrutura para tratamento de efluentes, líquidos, sólidos e gasosos, bem como os serviços de apoio à produção e as facilidades para estocagem e movimentação, tanto da matéria-prima, quanto do etanol final, assim como a de preparação, movimentação e estocagem do bagaço.
A grande maioria das usinas do setor já utiliza tecnologia avançada, tanto na área agrícola como na industrial, para a produção do etanol. Prova disto é que o custo de produção do etanol no Brasil é o menor em nível mundial.

A conjunção destes fatores, seguramente, resultará em uma elevada atratividade para a conversão do bagaço em etanol, que dificilmente poderá ser suplantada por outra matéria-prima de origem vegetal.

Biomassa abundante

A profissionalização do setor e o emprego de tecnologias mais eficientes nas usinas que produzem o etanol, a partir dos açúcares extraíveis da cana, está gerando grandes excedentes de bagaço, com potencial para que este excedente seja transformado em etanol, o que irá permitir aumentar significativamente a oferta deste combustível, sem exigir um aumento proporcional das áreas de plantio. Nesta nova condição, o aproveitamento da cana será integral.

O bagaço da cana-de-açúcar é a fração de biomassa resultante após os procedimentos de limpeza, preparo (redução através de jogos de facas rotativas niveladoras e desfibramento através de jogos de martelos oscilantes) e extração do caldo de cana (através de ternos de moagem ou de difusores). Não é uma biomassa homogênea, apresentando variações em sua composição, assim como na sua estrutura morfológica, em função dos procedimentos de corte no campo e no processamento industrial.

No que diz respeito a sua composição, influem significativamente os seguintes fatores:
  • A realização ou não do "despalhe" a fogo (queima do canavial), prévio ao corte;
  • Os procedimentos de colheita e carregamento com maior ou menor arraste de terra, areia e resíduo vegetal, tais como corte manual, mecânico, cana picada e corte incluindo o ponteiro etc.;
  • O tipo de solo onde a cana é cultivada (latossolos, solos arenosos, outros);
  • Os diferentes procedimentos de limpeza da cana: a seco, por revolvimento em mesas, limpeza com lavagem por corrente de água e limpeza pneumática. Influem também a geometria e outros detalhes construtivos das mesas de revolvimento, assim como a relação de volume de água aplicada por tonelada de cana (caules após corte);
  • A eficiência dos equipamentos de extração, influi diretamente sobre os açúcares residuais contidos no bagaço. O teor de extrato etéreo é maior, quanto menor for a percentagem de cana submetida à queima pré-corte.
As características morfológicas do bagaço, das quais as mais representativas são as dimensões e formas das partículas, estão associadas fundamentalmente aos processos de preparo e extração do caldo.
A tabela 1 reproduz a composição característica do bagaço, segundo estudos conduzidos no ICICDA.

tabela 1 composicao Bagaco palha cana de acucar

Nota: a) Pentosanas podem ser consideradas Hemiceluloses.

Examinando os valores da tabela 1, podemos concluir que o teor de umidade do bagaço se situa numa média de 50%, sendo esta uma característica do processo de compactação e desaguamento provocado pelos ternos das moendas (ou de desaguamento final associado aos difusores).

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 pelas cinzas constitutivas da planta e os metais ferrosos e pesados decorrentes do desgaste dos equipamentos de preparo e extração. A matéria mineral ou as cinzas no bagaço oscilam entre 1,6 e 5,0 %.

Estudos muito aprofundados (Souza, Schuhardt), abordando procedimentos de deslignificação e fracionamento do bagaço, apresentaram dados sobre a composição das três frações que compõem o bagaço: hemicelulose (pentosanas), celulose e lignina. Os estudos deste grupo constituem uma referência de partida para o desenvolvimento de um processo de sacarificação da biomassa da cana-de-açúcar: bagaço integral ou suas frações fibra, medula e os resíduos da colheita como folhas, pontas etc.

Os dados apresentados por estes autores (tabela 2) comprovam resultados obtidos anteriormente, [1], [3] assim como o fato que, tanto para hemicelulose como para celulose, as variações de seus teores no bagaço são relativamente pequenas de uma variedade de cana a outra ou, de região para região.

Na composição da biomassa da cana, existe um predomínio da holocelulose, (celulose + hemicelulose), seguido pela lignina. A outra fração significativa é a dos extraíveis em solventes orgânicos (éter etílico e benzeno), constituída fundamentalmente pela película protetora de ceras que impermeabiliza o caule da cana.

Um perfil mais realístico do teor de açúcares recuperáveis é apresentado na tabela 3, descontando grupos acetil e outros não-açúcares associados à hemicelulose e quantificando a fração de hexoses presente nesta.

composicao quimica bagaco cana

tabela 3 teores carboidratos bagaco

Os estudos de Souza e Rodriguez [6] e Silva e Schuchardt [7] nos permitiram formular um bagaço padrão (Tabelas 2 e 3), com uma composição química que permite quantificar o potencial de aproveitamento do bagaço na hidrólise.

tabela 4 bagaco padrao composicao calculada

A análise granulométrica do bagaço depende de vários fatores, já citados anteriormente, podendo ser considerado médios, os seguintes valores:
  • Fibras acima de 25 mm: 5 a 10%
  • Fibras entre 5 e 25 mm: 30 a 50%
  • Finos entre 1 a 8 mm: 5 a 10%
  • Medula ou bagacilho: 35 a 45%
Os resíduos da colheita constituídos pelas folhas verdes, as folhas secas e o ponteiro da cana, constituem também uma fonte de matéria-prima lignocelulósica.

Atualmente, as usinas de açúcar e destilarias, não recuperam os resíduos da colheita, que são em parte queimados no procedimento por "despalhe" a fogo da cana, em parte empregados como cobertura do terreno e o restante, em excesso, incinerado no campo. Esta situação irá se modificar em função da mudança nas práticas de corte e colheita, com a gradativa eliminação do "despalhe" a fogo em atenção ao cronograma de redução do impacto ambiental das queimadas, disponibilizando, desta forma, um maior volume de matéria-prima para a hidrólise. O volume excedente dos resíduos da colheita, comumente chamado de palha, será de até 50% da palha existente na cana, ou seja, um sexto da energia total contida na cana.

A composição aproximada deste resíduo para outras regiões canavieiras, está descrita na bibliografia [1] e [3], porém não se dispõe de valores típicos característicos para o Brasil, que poderão diferir dos apresentados na tabela [1], que provem de determinações realizadas em Cuba.

A composição da palha 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. Outra característica importante para um aproveitamento da palha para hidrólise, é seu elevado teor de cinzas, que é aproximadamente o dobro do bagaço.

Quanto ao potencial de palha disponível, segundo estudos feitos pelo CTC [GEF], dependendo dos procedimentos de colheita, é possível recuperar um teor de biomassa seca equivalente a 14% da massa da cana (caules colhidos), entregues à Usina.
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