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Estudos

Os processos para obtenção do etanol celulósico


novaCana.com - 16 out 2013 - 06:10 - Última atualização em: 27 ago 2014 - 16:08
A celulose é uma das substâncias renováveis mais abundantes no globo terrestre, motivo pelo qual a mesma tem sido extensivamente estudada como fonte de energia sustentável para uso industrial. Os estudos iniciais remontam as primeiras décadas do século passado, todavia, apesar dos esforços já efetuados para o desenvolvimento do aproveitamento desta matéria prima, o único processo que pode ser considerado, na atualidade, como tecnologicamente dominado e economicamente viável, é a queima direta da matéria vegetal.

O aproveitamento da matéria vegetal desperta grande interesse dos pesquisadores, cientistas e industriais, devido ao fato da mesma ser encontrada em grandes quantidades em vários tipos de resíduos. O Brasil possui uma condição muito especial, se considerarmos o bagaço da cana, pois o mesmo está disponível de uma forma razoavelmente limpa, em grande quantidade e concentrada ao lado das usinas de açúcar e álcool, o que torna o bagaço da cana uma atrativa fonte de energia, tanto para queima direta como para conversão em produtos químicos, em especial o etanol.

A conversão dos policarboidratos, ou seja, da celulose e da hemicelulose contida na matéria vegetal é efetuada através da quebra das longas cadeias e da adição de água, que é denominado de hidrólise. Simplificadamente podemos representar a hidrólise como indicado abaixo:

representa-hidrolise

Os processos de hidrólise mais pesquisados e que podem ser utilizados industrialmente são:

  • Hidrólise do Estado Crítico;
  • Hidrólise Enzimática;
  • Hidrólise Ácida Concentrada;
  • Hidrólise Ácida Diluída.

O processo de Hidrólise utilizando fluídos no estado crítico, em geral água, está em fase de pesquisas de laboratório, sendo que o tempo para passarmos para a fase de desenvolvimento piloto ou semi-industrial, deverá levar no mínimo 2 a 3 anos. Este processo irá requerer uma otimização energética, assim como soluções complexas de engenharia. Como resultado final, este tipo de hidrólise deverá apresentar altos valores de conversão, baixa quantidade de subprodutos e tempo de reação insignificante, se comparado com os demais processos.

O processo de Hidrólise Enzimática procura utilizar a mesma via dos processos naturais de hidrólise, e apresenta uma alta taxa de conversão, sendo esperado valores acima de 90% de conversão. Este processo está recebendo altos volumes de recursos na área de pesquisas de laboratório e já existem unidades operando em fase piloto. Apesar dos grandes avanços obtidos nos últimos anos, os processos de hidrólise enzimática ainda estão limitados por fatores ligados ao custo das enzimas, alto tempo requerido para ocorrer a conversão e provável alto custo energético devido aos grandes volumes que terão de ser mantidos aquecidos e agitados por longo tempo. Outra questão fundamental para a hidrólise ácida, no estado atual da arte, é o tipo de pré-tratamento que será necessário efetuar para adequar a matéria prima, como disponível, aos requisitos da enzima. Considerando a velocidade do desenvolvimento tecnológico deste processo, as dificuldades a serem ultrapassadas e as soluções de engenharia a serem adotados, podemos prever que os processos de hidrólise enzimática não atingirão o "status de processo comercial" antes de 10 a 20 anos.

O processo de hidrólise com ácido concentrado é um processo químico, que realiza a conversão em curto tempo, em geral da ordem de 60 a 240 minutos, possibilitando o emprego de reatores contínuos que poderiam operar com alto rendimento, em um ou dois estágios. A limitação deste processo está essencialmente ligada ao custo de recuperação e reciclagem do ácido, ou de sua aquisição e neutralização. Plantas utilizando este processo foram construídas durante a segunda guerra mundial, sendo que atualmente, existem plantas operando em escala piloto ou semi-industrial, mas a tecnologia não atingiu o estágio comercial efetivo.

O processo de hidrólise com ácido diluído é um processo químico que requer a utilização de condições severas de reação, porém exige tempos reduzidos de reação, em geral, inferiores a 45 minutos, possibilitando o emprego de reatores contínuos que podem operar em um ou dois estágios. As dificuldades deste processo estão relacionadas com a otimização do processo e a sua integração com as soluções de engenharia que irão resultar em taxas de conversão economicamente viáveis. Várias plantas utilizando reatores em batelada, operaram e foram desativadas devido ao seu alto custo operacional. A DEDINI construiu uma unidade semi-industrial e pioneira, utilizando processo patenteado e denominado de DEDINI HIDRÓLISE RÁPIDA (DHR), o qual utiliza reator contínuo e une a tecnologia de remoção da lignina. Através do processo por solvente orgânico (Organosolv) com a hidrólise ácida diluída, esta unidade está em operação experimental na Usina São Luiz – Pirassununga / SP.

Os problemas associados ao desenvolvimento de processos ou plantas comerciais para a conversão de matéria vegetal em açúcares, e estes em álcool, são numerosos e complexos, porém não são maiores que aqueles já enfrentados quando do desenvolvimento dos processos industriais para a química fina, petroquímica e petróleo. Os desenvolvimentos efetuados até os últimos anos para os processos de hidrólise abordaram vários aspectos, porém não levaram em consideração todas as dificuldades a serem enfrentadas, bem como a sua integração com os processos já consagrados industrialmente, sendo na maioria dos casos desenvolvidos para servir de soluções pontuais, o que justifica o fracasso comercial das plantas que entraram em operação industrial.

A solução industrial economicamente viável para um processo de hidrólise deverá estar baseada, mas não restrita, aos seguintes fatores:

  • Domínio da técnica, a nível de laboratório;
  • Validação de resultados em unidade piloto;
  • Comprovação das soluções de engenharia em semi-escala industrial;
  • Operação de unidade industrial pioneira.

O domínio da técnica, a nível de laboratório, deve ser planejado de tal forma que possamos obter dados da cinética química e das metodologias analíticas, adequados aos materiais e características da matéria-prima que será utilizada, futuramente, de forma comercial. Os materiais de origem vegetal aparentam ter composição muito semelhante, todavia a presença de pequenas quantidades de substâncias diferentes, podem provocar significativas alterações nas condições de reação e na conversão desejada. Outro fator importante é a utilização de tratamentos a que a matéria prima é submetida no laboratório, porém os mesmos não são reproduzíveis ou se tornam inviáveis em processos industriais, e podem alterar os parâmetros obtidos.

A validação dos resultados obtidos a nível de laboratório em uma unidade piloto, é uma etapa que pode ser complicada, pois a presença de sólidos ou pasta, pode dificultar ou inviabilizar o escoamento do material em tubos ou locais com pequena área de passagem. Outra dificuldade desta etapa é encontrar soluções que possam ser reproduzidas nas unidades industriais. Somente terão validade os resultados obtidos em unidades piloto, que realmente reproduzam e manuseiem a mesma matéria que será utilizada em uma unidade industrial.

A comprovação em escala semi-industrial, dos resultados obtidos nos nível de laboratório e das unidades piloto, é de fundamental importância para a comprovação das soluções de engenharia a serem utilizadas, pois devido às características reológicas e a complexidade de composição dos fluídos manuseados, o simples aumento de escala pode resultar em problemas e até inviabilizar a solução adotada. O aumento ideal de escala entre estas etapas deveria estar limitado a um valor de aproximadamente 10 vezes.

A operação de uma unidade pioneira, projetada em escala industrial, fornecerá a comprovação definitiva da viabilidade das soluções de engenharia adotadas, e dos parâmetros técnico-econômicos, para a elaboração do estudo de viabilidade econômica do processo, assim como fornecerá dados sobre a vida útil da instalação e das partes da mesma.

O conceito que está predominando e a possível solução sustentável, a nível mundial, para a conversão de material vegetal em produtos químicos ou etanol é o conceito de biorrefinarias, ou seja: a integração das unidades de hidrólise com a parte agrícola, o que resultará em processo agroindustrial sustentável. As principais vantagens das biorrefinarias são:

  • Possibilidade de transformação dos resíduos agrícolas em produtos comerciais ou como fonte de energia;
  • Compartilhamento de toda a infraestrutura técnico-administrativa, reduzindo os custos operacionais;
  • Redução dos riscos econômicos e de financiamento, pela possibilidade de se flexibilizar as fontes de matéria-prima e de produtos acabados, reduzindo o impacto das flutuações dos preços internacionais das "commodities";
  • Redução do impacto ao meio ambiente, pela diminuição da geração de resíduos ou da possibilidade de seu aproveitamento em outra atividade.
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