UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA MECNICA

COMISSO DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

Autor: Klever Joao Mosqueira Salazar

Uso de gua e anlise exergtica na produo integrada de etanol de primeira e segunda

gerao a partir da cana-de-acar Campinas, 2012.

Klever Joao Mosqueira Salazar

Uso de gua e anlise exergtica na produo integrada de etanol de primeira e segunda

gerao a partir da cana-de-acar Orientador: Dra. Silvia Azucena Nebra de Prez Co-orientador: Dr. Joaquim Eugnio Abel Seabra

Campinas 2012

Dissertao apresentada ao Curso de Mestrado da Faculdade de Engenharia Mecnica da Universidade Estadual de Campinas, como requisito para a obteno do ttulo de Mestre em Planejamento de Sistemas Energticos.

ii

Dedico este trabalho aos meus pais e a Maribel, minha fiel companheira de batalhas infinitas.

iii

Agradecimentos

A Deus por ficar sempre do meu lado e por me ajudar a vencer os obstculos que encontrei

no caminho.

Prof Silvia Nebra, minha orientadora, quem confiou no meu trabalho desde o incio,

muito obrigado pela sua amizade, orientao, ensinamento, confiana, preocupao, e pela

oportunidade de estudar neste pas e, assim, poder cumprir um dos meus objetivos mais

importantes na minha vida at hoje.

Aos meus pais, Silvia e Pedro, e a minha famlia, pelo seu apoio e carinho incondicional.

A minha esposa Maribel, quem sempre esteve ao meu lado, me apoiando, acompanhando e

incentivando o meu trabalho com pacincia e amor.

Ao Prof. Dr. Joaquim Seabra, meu co-orientador, pelo acompanhamento e orientao.

Aos Professores do curso e das outras unidades da Unicamp pelo aprendizado durante as

diferentes disciplinas e pela sua paixo pelo ensino.

Ao Dr. Carlos Rossell e Prof. Dr. Marcelo Modesto, pelas crticas e sugestes que

possibilitaram tornar este um trabalho melhor.

Aos Profs. Dr. Miguel Angel Lozano e Dr. Luis M. Serra da Universidade de Zaragoza na

Espanha, que me receberam cordialmente no curto perodo de intercambio em que estive l, e

com os quais pude aprender e desenvolver parte dos conceitos apresentados neste trabalho, sendo

ademais exemplos a seguir na minha vida pessoal e profissional.

Ao Prof. Walter Galarza Soto, da Universidade Nacional de Ingeniera, em Lima - Per,

pela sua amizade e motivao para realizar o mestrado, e um especial agradecimento porque sem

sua ajuda no houvesse sido possvel a minha vinda ao Brasil e ter vivido esta grandiosa

experincia.

Aos meus amigos: Reynaldo, Juan, Edwin, Toms, Paola, Wilmer, Ral, Vanessa, Harold,

Delia, Bruno e Louryval, obrigado pela sua amizade e companheirismo neste tempo.

Ao CNPq e ao Grupo Santander pelo apoio financeiro concedido.

Finalmente a todos, que direta ou indiretamente foram peas fundamentais para a realizao

deste trabalho, os meus sinceros agradecimentos.

iv

Voc aquilo que faz, no aquilo que diz

Severn Cullis-Suzuki

v

Resumo

A produo e o consumo de biocombustveis tm aumentado rapidamente nos ltimos anos,

no entanto, esse crescimento tem levantado questes a respeito da sua sustentabilidade. Uma

nova configurao da produo de biocombustveis, chamados de segunda gerao, a partir

principalmente de resduos agroindustriais como o bagao de cana-de-acar, se apresenta como

uma soluo frente quelas questes, ao aumentar a produo com o mesmo volume de recursos.

No obstante, a sua sustentabilidade ainda precisa ser comprovada, devido a que o consumo de

gua na fase industrial considerado um ponto crtico decorrente do seu aumento durante o

processo de hidrlise, ao se desenvolver este em solues com baixas concentraes de slidos.

Assim, este estudo objetiva a avaliao da sustentabilidade da produo integrada de etanol de

primeira e segunda gerao a partir da cana-de-acar comparada ao processo convencional,

atravs do impacto no consumo de gua por litro de combustvel produzido, e mediante uma

anlise exergtica do processo visando determinar a sua influncia nos custos exergticos dos

produtos da planta. Foi realizado um inventrio dos consumos de gua por processo durante a

produo de etanol, e identificou-se ainda o potencial de reso dos efluentes visando a reduo da

captao externa de gua. Os resultados revelaram que atravs de adequadas medidas de reso

como o fechamento de circuitos de gua, e o tratamento dos novos efluentes na produo

integrada, produzindo inclusive biogs, possvel atingir patamares de captao de gua muito

prximos aos j existentes no atual setor sucroalcooleiro. Por outro lado, desde a viso da

exergia, quando considerados como produtos o etanol, a eletricidade excedente e o bagao

excedente no processo convencional, foi alcanada uma eficincia de segunda lei igual a 55%,

enquanto no processo integrado, apesar de produzir biogs, se atingiram menores desempenhos

na gesto dos recursos com valores na faixa de 34 a 36% devido s irreversibilidades dos

processos internos. Adicionalmente, aumentos entre 13,6% e 15,4% no custo exergtico do etanol

anidro na produo integrada refletiram os resultados anteriores.

Palavras Chave: Etanol; cana-de-acar, hidrlise enzimtica, reso de gua, exergia

vi

Abstract

Production and consumption of biofuels have been growing rapidly in the last few years;

however, this rapid growth has raised questions regarding its sustainability. A new configuration

of biofuel production, the so called second generation biofuels, mainly produced from agro-

industrial residues such as sugarcane bagasse, appears as a solution to those issues, increasing

production with the same amount of resources. Nevertheless, its sustainability has yet to be

proven; because of water use in industrial stage is considered as critical, due to its increase during

the hydrolysis process, which occurs in solutions with low concentrations of solids. Thus, this

study aims the assessment of the sustainability of the integrated production of first and second

generation ethanol from sugarcane compared to the conventional process, through the impact on

consumption of water per liter of fuel produced, and by an exergy analysis of the process to

determine its influence in the exergetic cost of the main plants products. It was perfomed an

inventory of water consumption by process during ethanol production and it was even identified

the potential of effluents for recycling in order to reduce water withdrawal. Results showed that

through appropriate procedures of reuse, such as closing water circuits and treatments of new

effluents from integrated production, producing even biogas, it is possible to achieve water

withdrawals close enough to those existing in current ethanol plants. Moreover, since the view of

exergy, considering ethanol, surplus electricity and surplus bagasse as the major products in the

conventional process, it was obtained a second law efficiency equal to 55%, while in the

integrated process, although producing biogas, it was reached a lower performance in resources

management with values in the range of 34 to 36% due to irreversibilities in the new processes.

Additionally, increases between 13,6 and 15,4% in the exergetic cost of second generation

ethanol was found when compared to production of first generation ethanol, reflecting previous

results.

Key Words: Ethanol, sugarcane, enzymatic hydrolysis, water reuse, exergy

vii

Lista de Figuras

1.1. Disponibilidade e captao de gua per capita 3

2.1. Diagrama de fluxo da produo de etanol em uma destilaria autnoma 7

2.2. Esquema dos processos de limpeza, preparo e extrao da cana-de-acar 9

2.3. Esquema do processo de tratamento do caldo 13

2.4. Esquema do processo de concentrao do caldo 16

2.5. Esquema do processo de fermentao 19

2.6. Esquema do processo de destilao e retificao 21

2.7. Esquema do processo de desidratao via destilao azeotrpica 23

2.8. Esquema do processo de desidratao via destilao extrativa 24

2.9. Esquema do sistema de cogerao com turbina a contrapresso 26

2.10. Esquema do sistema de resfriamento por lagoas de asperso e torres de resfriamento 28

2.11. Distribuio das componentes do material lignocelulsico 30

2.12. Diagrama de fluxo da produo de etanol em uma destilaria autnoma integrada ao

processo de hidrlise enzimtica do bagao 32

2.13. Esquema do processo de hidrlise enzimtica do bagao de cana-de-acar com pr-

tratamento a exploso a vapor 35

2.14. Esquema do processo de concentrao do licor de glicose diludo atravs de um

sistema de evaporao de mltiplo efeito acompanhado da detoxificao 36

3.1. Mapa do Zoneamento Agroambiental - Resoluo SMA/SSA-004 - 2008 42

3.2. Mapa atual do Zoneamento Agroambiental - Resoluo SMA/SSA-006 de 2009 44

3.3. Distribuio do nmero de usinas do estado de So Paulo aderidas ao Protocolo

Agroambiental do Setor Sucroalcooleiro em base ao seu consumo de gua 45

3.4. gua consumida no processo de converso das matrias primas em combustveis 46

3.5. Evoluo de captao de gua na indstria canavieira 47

3.6. Avaliao da eficincia da lavagem do bagao pr-tratado para diferentes vazes de

gua 49

3.7. Esquemas de recirculao das correntes do processo de produo de etanol de segunda

gerao a partir de madeira 51

viii

3.8. Possveis configuraes dos processos e potenciais produtos no tratamento de

materiais lignocelulsicos 66

3.9. Sistemas compostos por reatores anaerbios seguidos por algum processo de ps-

tratamento 69

3.10. Fluxograma da instalao proposta de um filtro prensa para desaguamento da torta de

lignina 72

3.11. Fluxograma da instalao proposta de uma prensa desaguadora para desaguamento da

torta de lignina 73

3.12. Alternativas industriais na minimizao do consumo de gua 74

3.13. Esquema do mtodo heurstico para gerenciamento dos fluxos de gua 77

5.1. Consumo de gua na produo de etanol de segunda gerao com concentrao do

licor de glicose via sistema de evaporao de mltiplo efeito considerando circuito

aberto 107

5.2. Consumo de gua na produo de etanol de segunda gerao com concentrao do

licor de glicose mediante sistema de membranas considerando circuito aberto 108

5.3. Diagrama do processo integrado de produo de etanol de primeira e segunda gerao

considerando o fechamento dos circuitos de resfriamento 110

5.4. Captao de gua por processo na produo de etanol de segunda gerao com

concentrao de licor de glicose via sistema de evaporao de mltiplo efeito com o

fechamento de circuitos 113

5.5. Captao de gua por processo na produo de etanol de segunda gerao com

concentrao de licor de glicose por sistema de membranas com o fechamento de

circuitos 114

5.6. Potenciais fluxos de gua para reso na produo de etanol de primeira gerao 115

5.7. Distribuio da gua dentro dos principais fluxos na produo de etanol de segunda

gerao 116

5.8. Potenciais fluxos de gua para reso na produo de etanol de segunda gerao 117

5.9. Potencial de reso de gua considerando o uso da vinhaa 118

5.10. Captao efetiva total de gua para cada cenrio avaliado 120

5.11. Captao de gua por litro de etanol produzido 121

ix

5.12. Reso das correntes de gua na produo de etanol de primeira gerao de acordo ao

mtodo heurstico visando o seu gerenciamento em base qualidade das demandas de

gua e dos efluentes 122

5.13. Esquema proposto para a minimizao de gua captada na produo integrada de

etanol de primeira e segunda gerao: Estao de Tratamento de gua 123

5.14. Esquema proposto para a minimizao de gua captada na produo integrada de

etanol de primeira e segunda gerao: Tanque de condensados 125

5.15. Esquema proposto para a minimizao de gua captada na produo integrada de

etanol de primeira e segunda gerao: Sistemas de resfriamento 126

5.16. Reso das correntes de gua na produo integrada de etanol de primeira e segunda

gerao de acordo ao mtodo heurstico 127

6.1. Definio do sistema a ser avaliado pela anlise exergtica e do custo exergtico 128

6.2. Diagrama de fluxos de exergia utilizado para a anlise exergtica e de custo

exergtico - Caso I 131

6.3. Diagrama de fluxos de exergia utilizado para a anlise exergtica e de custo

exergtico - Caso II 136

6.4. Diagrama de fluxos de exergia utilizado para a anlise exergtica e de custo

exergtico - Caso III 142

6.5. Irreversibilidade gerada por litro de etanol produzido em cada subsistema nos trs

casos avaliados 146

6.6. Contribuio de cada subsistema no total da irreversibilidade gerada 148

6.7. Formao do custo exergtico unitrio dos produtos Caso I 157

6.8. Formao do custo exergtico unitrio dos produtos Caso II 159

6.8. Formao do custo exergtico unitrio dos produtos Caso III 160

x

Lista de Tabelas

2.1. Caracterizao dos principais parmetros da moenda e do difusor 12

2.2. Classificao das correntes de acordo ao sistema de resfriamento 29

2.3. Tecnologias mais promissoras no pr-tratamento de materiais lignocelulsicos 33

3.1. Consideraes no uso de gua segundo o Zoneamento Agroambiental do Estado de

So Paulo 43

3.2. Fluxos de gua requeridos na produo de etanol de primeira gerao 52

3.3. Principais efluentes na produo de etanol de primeira gerao com potencial de reso

dentro da usina 59

3.4. Composio em base mssica do vapor flash do pr-tratamento do bagao 61

3.5. Composio em base mssica do licor de pentoses 62

3.6. Composio em base mssica da gua da prensagem da torta de lignina 62

3.7. Composio em base mssica do permeado da separao por membranas 63

3.8. Eficincias de remoo tpicas dos principais poluentes no tratamento de efluentes

domsticos 70

4.1. Composio mssica em base seca das biomassas usadas como insumos 84

4.2. Exergias padres de componentes qumicos 92

4.3. Principais parmetros de operao na produo de biogs 93

5.1. Parmetros de operao do processo convencional 101

5.2. Parmetros de operao na produo de etanol de segunda gerao 103

5.3. Usos de gua na destilaria autnoma considerando circuito aberto Caso Base 105

5.4. Perdas de gua nos circuitos fechados 109

5.5. Captao de gua na destilaria autnoma com o fechamento de circuitos 111

5.6. Captao de gua quando considerado o reso da gua total contida na vinhaa 119

6.1. Caracterizao dos fluxos de entrada e sada por subsistema - Caso I 132

6.2. Definio dos produtos e insumos para os subsistemas - Caso I 134

6.3. Caracterizao dos fluxos de entrada e sada por subsistema - Caso II 135

6.4. Definio dos produtos e insumos para os subsistemas - Caso II 140

6.5. Caracterizao dos fluxos de entrada e sada por subsistema - Caso III 141

6.6. Definio dos produtos e insumos para os subsistemas - Caso III 145

xi

6.7. Eficincias exergticas por subsistema dos casos avaliados 147

6.8. Eficincias exergticas globais dos casos analisados 149

6.9. Dados para a determinao da eficincia de primeira lei 150

6.10. Eficincias de primeira lei dos casos analisados 150

6.11. Custos exergticos unitrios dos principais fluxos da planta 155

A.1. Consumo de gua na planta integrada Caso de concentrao do licor de glicose por

sistema de evaporao 184

A.2. Usos de gua na planta integrada Caso de concentrao do licor de glicose por

sistema de membranas 185

A.3. Captao de gua na usina integrada com o fechamento de circuitos - Caso de

concentrao do licor de glicose por sistema de evaporao 186

A.4. Captao de gua na usina integrada com o fechamento de circuitos - Caso de

concentrao do licor de glicose por sistema de membranas 187

A.5. Potenciais efluentes para reso na usina integrada Caso de concentrao do licor de

glicose por sistema de evaporao 188

A.6. Potenciais efluentes para reso na usina integrada Caso de concentrao do licor de

glicose por sistema de membranas 189

B.1. Dados termodinmicos dos fluxos envolvidos na planta modelada do Caso I 190

B.2. Dados termodinmicos dos fluxos envolvidos na planta modelada do Caso II 192

B.3. Dados termodinmicos dos fluxos envolvidos na planta modelada do Caso III 195

xii

Lista de Smbolos, Abreviaturas e Siglas

Letras Latinas

a atividade

b Exergia especfica [kJ/kg]

B Exergia [kW]

B* Custo exergtico [kW]

Bx Brix [%]

cp Calor especfico a presso constante [kJ/kg K]

F Fuel (Insumo)

FC Fator de correo de temperatura

g Energia livre de Gibbs especfica [kJ/kg]

h Entalpia especfica [kJ/kg]

I Taxa de irreversibilidade [kW]

k Custo exergtico unitrio

Kp Constante de equilibrio

MM Massa molar [kg/kmol]

m Fluxo mssico [kg/s]

p Presso [bar]

P Produto

Pol Teor de sacarose [%]

Pz Pureza [%]

R Constante universal dos gases [kJ/kmol K]

Q Fluxo de calor [kW]

s Entropa especfica [kJ/kg]

T Temperatura [C]

W Potncia [kW]

x Frao mssica

y Frao molar

Y Produo de biogs [L/g DQOremovido]

xiii

z Concentrao de slidos

................................................... Letras Gregas

Variao

Coeficiente de atividade

Razao beta

Eficincia [%]

Densidade [kg/m3

................................................... ]

Superescritos

00 Componente padro

................................................... Subscritos

0 Condies de referncia

1G Primeira gerao

2G Segunda gerao

af Afluente

ag gua

bag Bagao

bs Base seca

C Carbono

cin Cintica

e Entrada

et Etanol

f Fsica

fg Mudana de fase

H Hidrognio 2

i Inicial

mis Mistura

N Nitrognio 2

xiv

O Oxignio 2

op Operao

pal Palha

pot Potencial

q Qumica

s Sada

S Enxofre

sac Sacarose

sat Saturado

scoa Soluo compostos orgnicos-gua

sea Soluo etanol-gua

ssa Soluo sacarose-gua

temp Temperatura

tot Total

z Cinzas

................................................... Abreviaes

AEAC lcool Etanol Anidro Carburante

AEHC lcool Etanol Hidratado Carburante

APA rea de proteo ambiental

ATR Acares totais recuperveis

BEN Balano Energtico Nacional

COT Carbono orgnico total

DBO Demanda bioqumica de oxignio

DQO Demanda qumica de oxignio

ETA Estao de tratamento de gua

GL Graus Gay Lussac

INPM Graus INPM (Instituto Nacional de Pesos e Medidas)

MEG Monoetilenoglicol

MP Material particulado

PCI Poder calorfico inferior

xv

PCS Poder calorfico superior

PNRH Poltica Nacional de Recursos Hdricos

SHF Separate Hydrolysis and Fermentation (Hidrlise e fermentao separadas)

SSF Simultaneous Sacharification and Fermentation (Sacarificao e fermentao

simultnea)

SSCF Simultaneus Saccharification and Combined Fermentation (Simultnea sacarificao

e fermentao combinada)

SST Slidos solveis totais

STD Slidos totais dissolvidos

TIR Taxa interna de retorno

UASB Upflow anaerobic sludget blanket (Reator anaerbio de fluxo ascendente e manta de

lodo)

................................................... Siglas

ANA Agncia Nacional de guas

CETESB Companhia Ambiental do Estado de So Paulo

CNRH Conselho Nacional de Recursos Hdricos

CTBE Laboratrio Nacional de Cincia e Tecnologia do Bioetanol

CTC Centro de Tecnologia Canaviera

DAIA Departamento de Avaliao de Impactos Ambientais

NREL National Renewable Energy Laboratory

SMA Secretaria do Meio Ambiente

UDOP Unio dos Produtores de Bioenergia

NICA Unio de Indstrias de Cana-de-acar

xvi

xvii

SUMRIO 1 INTRODUO 1

1.1. Objetivo 4 1.2 Estrutura do trabalho 5 2 DESCRIO DO PROCESSO 7

2.1 Produo de etanol de primeira gerao a partir da cana-de-acar 7 2.1.1. Recepo e limpeza da cana-de-acar 8 2.1.2. Preparo da cana e extrao do caldo 9 2.1.3. Tratamento do caldo 13 2.1.4. Concentrao do caldo por evaporao 16 2.1.5. Fermentao 18 2.1.6. Destilao 20 2.1.7. Desidratao 22 2.1.8. Cogerao 25 2.1.9. Resfriamento dos efluentes 28

2.2 Produo de etanol de segunda gerao a partir da cana-de-acar 30 2.2.1. Pr-tratamento 32 2.2.2. Hidrlise enzimtica 34 2.2.3. Concentrao do licor de glicose e detoxificao 36

3 USO DE GUA NA PRODUO DE ETANOL 38

3.1 Legislao no uso da gua 38

3.1.1. Cobrana pelo uso da gua 39 3.1.2. Legislao no estado de So Paulo para o setor sucroalcooleiro 40 3.1.3. Protocolo agroambiental do setor sucroalcooleiro 44

3.2 A gua na produo de etanol de primeira e segunda gerao 46

3.3 Caracterizao das demandas de gua 52 3.3.1. Caracterizao das demandas na produo de etanol de primeira gerao 52

3.3.1. 1. gua para reposio na caldeira 53 3.3.1.2. gua para diluio do fermento 54 3.3.1.3. gua para preparo do polmero 55 3.3.1.4. gua para a lavagem da torta do filtro 55 3.3.1.5. gua para o preparo do leite de cal 55 3.3.1.6. gua para embebio 55 3.3.1.7. gua para reposio nas torres de resfriamento 56 3.3.1.8. gua para reposio nas lagoas de resfriamento 57 3.3.1.9. gua para lavagem dos gases CO2

da fermentao 57

xviii

3.3.1.10. gua para reposio de lavagem dos gases da caldeira 58 3.3.1.11. gua para limpezas gerais e usos potveis 58

3.3.2. Caracterizao das demandas na produo de etanol de segunda gerao 58

3.4 Caracterizao dos efluentes na produo de etanol 59 3.4.1. Efluentes na produo de etanol de primeira gerao 59

3.4.1. 1. Condensados do vapor vegetal do caldo 59 3.4.1.2. Purgas da caldeira 60 3.4.1.3. Efluente da gua de limpeza 60 3.4.1.4. Purgas da gua de lavagem dos gases da caldeira 61 3.4.1.5. gua obtida no processo de desidratao 61

3.4.2 Efluentes na produo de etanol de segunda gerao 61

3.4.2. 1. Vapor flash do pr-tratamento 61 3.4.2.2. Licor de pentoses 61 3.4.2.3. gua da prensagem da torta de lignina 62 3.4.2.4. Condensados do vapor vegetal do licor de glicose 62 3.4.2.5. Permeado do processo de separao por membranas 63

3.5 Tratamento dos efluentes na produo de etanol 63

3.5.1. Tratamento da gua da lavagem dos gases da caldeira 64 3.5.2. Vinhaa 64 3.5.3. Tratamento e uso do licor de pentoses 66

3.5.3. 1. Produo de biogs 67 3.5.3.2. Produo de xilitol 70

3.5.4. Recuperao do vapor flash do pr-tratamento do bagao 71 3.5.5. Tratamento da torta de lignina 72

3.6 Tcnicas de otimizao para a minimizao do uso de gua 74

3.6.1. Mtodo heurstico de reso 76 4 A EXERGIA NA PRODUO DE ETANOL 78

4.1 Exergia 78

4.2 Anlise exergtica 80 4.3 Clculo da exergia das correntes na produo de etanol de primeira e

segunda gerao 82 4.3.1. Exergia do bagao da cana-de-acar 82 4.3.2. Exergia da soluo sacarose-gua 84 4.3.3. Exergia da soluo etanol - gua 88 4.3.4. Exergia de solues compostos orgnicos-gua 90 4.3.5. Exergia do biogs 92

xix

4.4 A Termoeconomia 93

4.4.1. Teoria do custo exergtico 95 4.4.2. O processo de formao de custos 96

4.5 Reviso de estudos de anlise exergtica e de custo exergtico na produo de etanol de primeira e segunda gerao 97

5 AVALIAO DO CONSUMO DE GUA E DOS EFLUENTES NA PRODUO

DE ETANOL CONSIDERANDO ALTERNATIVAS DE RESO 101

5.1 Metodologia 104

5.2 Consumo de gua na produo de etanol 104 5.2.1. Etanol de primeira gerao 104 5.2.2. Etanol de primeira e segunda gerao 106

5.3 Economia de gua atravs do fechamento de circuitos 108

5.3.1. Etanol de primeira gerao 111 5.3.2. Etanol de primeira e segunda gerao 112

5.4 Avaliao dos efluentes para reso 114 5.4.1. Etanol de primeira gerao 114 5.4.2. Etanol de primeira e segunda gerao 115 5.4.3. O potencial da vinhaa 118

5.5 Mnima captao de gua 119 5.6 Oportunidades de reso 121

5.6.1. Minimizao de gua na produo de etanol de primeira gerao 122 5.6.2. Minimizao de gua na produo integrada de etanol de primeira e segunda gerao 123

6 ANLISE EXERGTICA E DOS CUSTOS EXERGTICOS DOS PRODUTOS

DA PRODUO DE ETANOL 128

6.1 Descrio dos cenrios e definio do sistema avaliado 128

6.2 Anlise exergtica 129 6.2.1. Anlise exergtica da produo de etanol de primeira gerao 130 6.2.2. Anlise exergtica da produo de etanol de primeira e segunda gerao 133 6.2.3. Irreversibilidades e eficincia de segunda lei 145 6.2.4. Eficincia de primeira lei 150

6.3 Anlise do custo exergtico 151

6.3.1. Consideraoes na produo de etanol de primeira gerao 151 6.3.2. Consideraoes na produo de etanol de primeira e segunda gerao 153 6.3.3. Custos exergticos 155

xx

6.4 A formao dos custos dos produtos 156

6.4.1. Formao dos custos na produo de etanol de primeira gerao 156 6.4.2. Formao dos custos na produo de etanol de primeira e segunda gerao 158

7 CONCLUSES E SUGERNCIAS PARA TRABALHOS FUTUROS 161

Referncias 165

APNDICE A 184

APNDICE B 190

1

1 INTRODUO

Com preos do petrleo flutuando em uma economia mundial baseada principalmente em

combustveis fsseis, como o petrleo e o gs natural, o transporte tem mostrado as maiores taxas

de crescimento de emisses de gases de efeito estufa (GEE) nos ltimos dez anos sobre qualquer

outro setor, com um aumento previsto de 80% no consumo de energia e nas emisses de carbono

em 2030 (IPCC, 2007).

Assim, o interesse por novas alternativas deu origem a um aumento na produo de

combustveis a partir de matrias-primas renovveis como a biomassa, onde o seu uso criou duas

importantes correntes ou geraes na produo de biocombustveis (BRINGEZU et al., 2007).

Por um lado, os biocombustveis de primeira gerao so produzidos a partir de culturas para

produo de alimentos, como o milho e a cana-de-acar, e constitudos principalmente por

etanol e biodiesel. Enquanto, os biocombustveis de segunda gerao so produzidos a partir de

materiais lignocelulsicos, como o bagao, a casca do arroz e do trigo, entre outras, que so

resduos ou subprodutos do processamento de determinadas biomassas, sendo a maioria deles

disponveis em abundncia e baixo custo. Algumas biomassas cultivadas, como o capim e o

sorgo, so tambm fontes ricas em celulose e hemicelulose, que constituem importantes

substratos para a produo de biocombustveis (NAIK et al., 2010; PINZI e DORADO, 2011).

Em 2011 a Agncia Internacional de Energia publicou o relatrio Biofuels Technology

Roadmap (IEA, 2011a), no qual encoraja aos governos a se deslocar para biocombustveis mais

avanados, derivados principalmente de resduos de biomassa ao invs de combustveis derivados

de culturas alimentares como o milho, a cana de acar, entre outros. Porm, enquanto a

produo de biocombustveis de primeira gerao est em um estado avanado tanto em relao

produo, e infraestrutura, tecnologias de segunda gerao esto principalmente em uma fase

piloto ou de demonstrao e ainda no esto operando comercialmente, apesar de que grandes

esforos em pesquisa e desenvolvimento esto sendo realizados sob diferentes rotas de

converso, sem uma tendncia clara mostrando qual tecnologia ser a opo futura

economicamente mais promissora (IEA, 2010).

2

Nessa linha de pesquisas, a produo de etanol a partir de materiais lignocelulsicos atravs

do processo de hidrlise enzimtica uma das principais rotas de converso sendo estudadas em

todo o mundo (BALAT, 2011). O bagao de cana-de-acar pode ser tambm utilizado para a

produo de etanol, mas, a introduo do processo de hidrlise do bagao no sistema atual de

produo de etanol todo um desafio desde um ponto de vista energtico e hdrico, uma vez que

o bagao o combustvel do processo atual e matria-prima para o processo de hidrlise

(PALACIOS-BERECHE, 2011).

Do ponto de vista dos recursos hdricos, a produo de biocombustveis afeta a estes de

duas maneiras: diretamente, atravs das captaes de gua para a irrigao e para o processo

industrial; e indiretamente, aumentando a perda de gua atravs da evapotranspirao, gua que

em outro caso estaria disponvel como corrente de escoamento ou recarga das fontes subterrneas

(BERNDES et al., 2003; PATE, 2012).

Adicionalmente, uma das principais questes dos biocombustveis onde e como so

cultivadas ou produzidas as biomassas que servem de matria-prima. Atualmente, existe uma

grande polmica sobre se os biocombustveis atuais so produzidos de forma sustentvel, se

fornecem considerveis redues de CO2, ou se podem ter impactos negativos na segurana

alimentar e nos mercados agrcolas (ZUURBIER e VAN DE VOOREN, 2008; DALE, 2011). As

respostas dependem de cada situao, mas em geral os biocombustveis hoje em dia no

proporcionam significativos benefcios lquidos, a exceo, do etanol a partir da cana-de-acar

no Brasil, onde, os custos so baixos e as redues de emisses de CO2

parecem ser substanciais

(IEA, 2011b).

Especificamente, a intensidade do consumo de gua no cultivo de biomassas para a

produo de biocombustveis pode variar grandemente dependendo da matria-prima utilizada. O

aumento na presso sobre o consumo de gua pode contribuir em um uso excessivo dela em uma

determinada regio, isto , chegar a uma situao em que a captao da gua exceda taxa de

renovao natural como mostrado na Figura 1.1., onde representado o perfil da gua captada e a

disponibilidade per capita em um modelo sobre o impacto do cultivo de culturas energticas em

pases selecionados para o ano 2075 (BERNDES, 2008).

3

Os crculos slidos representam a situao inicial em 1995, e as flechas indicam a mudana

para dois cenrios que incluem o impacto do cultivo de culturas energticas, tanto em sistemas

sem irrigao (crculos abertos), nos quais as perdas por evapotranspirao so maiores levando a

uma menor disponibilidade de 6gua; ou com irrigao parcial (quadrados), aumentando a

captao de gua para compensar parte das perdas do primeiro cenrio. Alm disso, a escassez de

gua em um pas definida na figura em base ao limite de estresse hdrico (rea rosa) como uma

relao entre a captao de gua e a sua disponibilidade igual ou menor a 25%.

Figura 1.1: Disponibilidade e captao de gua per capita. Fonte: Berndes (2008)

De acordo Figura 1.1 a disponibilidade hdrica no parece apresentar alguma restrio no

Brasil a diferena de outros pases como a China e a ndia, os que j esto atravessando situaes

de escassez hdrica. Porm, o modelo no considera casos especficos como aqueles existentes na

regio nordeste do Brasil onde situaes muito prximas ao estresse hdrico so atingidas, com

longos perodos de seca em algumas zonas.

Ademais, apesar de que, em forma geral, as principais biomassas para a produo de

biocombustveis precisam de grandes quantidades de gua na sua produo, a cana-de-acar

uma exceo a esta regra (WEF, 2011). Em um caso particular, os canaviais brasileiros so

irrigados na sua maior parte pela gua de chuva, principalmente na regio de produo centro-sul,

4

onde produzida cerca de 90% da cana-de-acar. A chuva complementada com a

fertirrigao, uma prtica que envolve a aplicao de vinhaa, um resduo base de gua na

produo de etanol, que rico em nutrientes orgnicos (DONZELLI, 2005; NEVES et al., 2011).

No entanto, embora o impacto da etapa industrial sobre o consumo de recursos hdricos

substancialmente menor do que o incorrido na fase agrcola para muitas culturas (BERNDES,

2002), a produo de biocombustveis de segunda gerao ainda poder exigir um aumento do

uso dos recursos hdricos nesta fase da converso, sendo este o indicado como um dos pontos

crticos, uma vez que os novos processos acontecem em meios aquosos com baixa concentrao

de slidos (2% - 8%), tendo, portanto que ser ainda comprovada a sua sustentabilidade.

Desse modo, na determinao da sustentabilidade de um processo, o uso de indicadores e

ferramentas adequadas fornece aos tomadores de deciso uma avaliao integrada, localizada e

global do sistema sociedade-natureza em perspectivas de curto e longo prazo, a fim de ajudar a

definir quais aes devem ou no ser tomadas visando tornar o processo sustentvel sociedade

(SINGH et al., 2012). Diferentes ferramentas tm sido desenvolvidas e categorizadas de acordo a

numerosos fatores e dimenses, incluindo entre elas a anlise de ciclo de vida, a pegada

ecolgica, a pegada hdrica, a anlise de insumo-produto, entre muitas outras (NESS et al., 2007).

Outra ferramenta para analisar a eficincia dos processos de produo de biocombustveis a

partir de um ponto de vista integrado oferecida pela anlise exergtica, a qual, em base ao

conceito de exergia, uma tcnica adequada para promover o uso mais eficiente dos recursos,

pois permite a localizao, classificao e identificao das magnitudes reais dos resduos e

perdas durante um processo; revelando assim se e possvel ou no, e por quanto, projetar sistemas

energticos mais eficientes, reduzindo as ineficincias nos sistemas j existentes (DINCER, 2002;

ROSEN et al., 2008).

2.1. Objetivos

Este trabalho tem como objetivo determinar a sustentabilidade da produo integrada de

etanol de primeira e segunda gerao a partir da cana-de-acar, em comparao com a produo

convencional de primeira gerao, atravs de dois indicadores de anlise.

5

Do ponto de vista hdrico, visa-se determinar a mnima captao de gua durante a fase

industrial por litro de etanol produzido, mediante a avaliao do consumo dela e a identificao

do potencial de reso dos efluentes dentro da planta.

Atravs de uma anlise mais abrangente avaliado o adequado uso dos recursos da

natureza sob o conceito da exergia, determinando o desempenho exergtico dos processos bem

como os custos exergticos dos produtos finais.

2.2. Estrutura do trabalho

O captulo 2 apresenta a descrio dos processos que compem a produo de etanol a

partir da cana-de-acar em uma destilaria convencional e quando considerada a integrao da

hidrlise enzimtica do bagao, ressaltando em cada um deles o consumo da gua e a sua

relevncia dentro dos mesmos.

No captulo 3 realizada uma reviso bibliogrfica a respeito do uso de gua no setor

sucroalcooleiro, bem como um estudo de caracterizao das demandas de gua e dos efluentes

lquidos no processo de produo de etanol de primeira e segunda gerao. Uma identificao de

alternativas e tratamento desses efluentes visando a reduo de gua externa a ser fornecida

planta tambm descrita.

O captulo 4 apresenta uma reviso geral dos mtodos de anlise exergtica e de custo

exergtico a serem utilizados nos estudos de caso avaliados. Alm disso, so mostradas as

metodologias necessrias para o clculo das propriedades e exergias dos fluxos envolvidos no

processo. Apresenta-se no fim uma reviso bibliogrfica sobre a aplicao da anlise exergtica

em processos de produo de etanol de primeira e segunda gerao.

O captulo 5 desenvolve um inventrio do consumo de gua e identifica oportunidades de

reso dos efluentes dos processos em uma destilaria convencional e na produo integrada de

etanol de primeira e segunda gerao visando determinar a mnima captao de gua da planta.

No ltimo caso so considerados vrios cenrios com diferentes concentraes de slidos no

reator de hidrlise bem como no sistema de concentrao do licor de glicose, atravs de um

sistema de evaporao ou via um sistema de separao por membranas. Finalmente feita uma

6

proposta de distribuio dos efluentes com o seu reso direto ou indireto, mediante tratamentos

fsico-qumicos adequados.

J no captulo 6 so apresentadas a anlise exergtica e de custo exergtico para trs dos

casos estudados previamente, definindo em primeiro lugar os volumes de controle e as correntes

em cada um deles, definindo ademais os produtos e insumos em cada caso. Com as exergias

determinadas, so avaliadas as irreversibilidades e eficincias exergticas de cada componente da

planta para finalizar com a anlise de custo exergtico, determinando os custos exergticos

unitrios dos produtos finais e dos fluxos internos da planta a serem comparados entre os

cenrios estudados.

Finalmente, o captulo 7 apresenta as concluses e sugestes para trabalhos futuros.

7

2 DESCRIO DO PROCESSO

Neste captulo so descritas as operaes que compem o processo industrial na produo

de etanol em destilarias autnomas a partir da cana-de-acar, ademais dos processos necessrios

na converso dos acares contidos no bagao em etanol via a hidrlise enzimtica.

2.1. Produo de etanol de primeira gerao a partir da cana-de-acar

A unidade industrial pode ser dividida nas seguintes sees, que sero descritas a seguir:

recepo, limpeza, preparao, extrao dos acares, tratamento e concentrao do caldo,

fermentao, destilaria de etanol, sistema de produo de energia eltrica e trmica, e sistema de

resfriamento. A Figura 2.1 apresenta aqueles processos, a exceo do sistema de resfriamento,

indicando, alm dos principais fluxos na produo de etanol, os requerimentos de gua e

efluentes envolvidos durante a produo do mesmo.

Figura 2.1: Diagrama de fluxo da produo de etanol em uma destilaria autnoma

Limpeza, Preparo eExtrao

Tratamento do caldo

Concentrao do caldo Fermentao Destilao Desidratao

Sistema de Cogerao

Cana-de-acar

- gua para caldeira- Lavagem dos gases da caldeira- Resfriamento dos turbogeradores

- Embebio- Resfriamento de mancais- Resfriamento do leo de lubrificao

Caldo misto

Caldo tratado

Xarope Vinho

Etanol

hidratado

Etanol

anidro

Bagao

Condensados de VV - Resfriamento do mosto- Resfriamento das dornas- Diluio do fermento- Lavagem dos gases CO2

- Calagem- Filtro rotativo- Lavagem da torta- Preparo do polmero

Condensador de evaporao do caldo

VinhaaCondensadores Condensadores

VaporEletricidade

Palha

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2.1.1. Recepo e limpeza da cana-de-acar Aps a colheita mecanizada ou manual, obtida cana picada ou inteira, respectivamente,

sendo logo transportada o mais cedo possvel para a usina, a fim de evitar perdas de acares. O

sistema de transporte normalmente baseado em caminhes, a exceo de algumas poucas

empresas que utilizam transporte fluvial (BNDES, 2008).

Na usina, os caminhes so pesados antes e aps o descarregamento em balanas

eletrnicas, visando obter o peso real da cana pela diferena entre as duas medidas. Algumas

cargas so selecionadas aleatoriamente para extrair amostras, que so homogeneizadas e

analisadas para determinar a qualidade da matria-prima recebida, em base ao teor de sacarose e

ao ATR (acar total recupervel), parmetros que ajudam no controle de moagem e ao clculo

do desempenho industrial (ELIA NETO, 2009)

A cana pode ser descarregada na mesa alimentadora de 45 e transferida para as esteiras de

transporte que a levam para o setor de preparo, ou pode ser descarregada diretamente nas esteiras

quando for picada. A cana arrasta tanto impurezas minerais como vegetais que precisam ser

removidas, devido a que se no forem separadas, podem provocar problemas como a presena de

slica, a qual danifica os equipamentos da extrao; o aumento de umidade no bagao; o aumento

significativo da pol do bagao; a perda de capacidade de moagem; entre outros.

Assim, quando a cana colhida manualmente, esta lavada com gua para diminuir as

impurezas na prpria mesa de recepo em circuito fechado, recirculando a gua, que recebe

tratamento; no caso da cana picada, o sistema de limpeza a seco sugerido, pois as perdas de

sacarose so muito elevadas quando for usada a limpeza com gua (LEITE, 2009).

Existem atualmente duas maneiras de limpeza a seco da cana que carrega palhas, pontas e

minerais para a usina: limpeza na mesa alimentadora, e limpeza direta na esteira de cana, sendo a

primeira a mais comum usada nas usinas (JORNAL CANA, 2010a). No obstante, a segunda

alternativa sendo nova apresenta menores custos de investimento, uma reduo considervel de

potencia eltrica instalada e um aumento de eficincia de limpeza.

9

Outro sistema de limpeza a seco a contrafluxo, com base no uso de ventiladores

industriais que sopram ar contra o fluxo da cana, fazendo a remoo das impurezas minerais e

vegetais, coletando elas em uma cmara especial e sendo retornadas para a lavoura (JORNAL

CANA, 2011). Por outro lado, existem sistemas de limpeza a seco mediante filtros eletroestticos

ou baseados em tambores rotativos com chapas perfuradas. Depois da remoo das impurezas, a

cana cai na esteira transportadora para ser enviada para a etapa de preparo e extrao do caldo.

2.1.2. Preparo da cana e extrao do caldo

Decorrente de a cana-de-acar oferecer uma maior ou menor resistncia recuperao dos

acares contidos, o preparo tem a finalidade de condicion-la e extrair a maior quantidade de

caldo, soluo constituda basicamente de gua e sacarose, com um mnimo de perda de acares.

O preparo da cana importante porque a transforma em um material homogneo, aumentando a

sua densidade, promove a ruptura da estrutura da cana, rompendo as suas clulas, o que facilita e

melhora a posterior extrao dos acares fermentescveis.

Na Figura 2.2 se apresenta o diagrama dos processos integrados da limpeza a seco, preparo

e extrao do caldo da cana, bem como o incio do tratamento do caldo com o uso de peneiras

rotativas a ser descrita na seo seguinte.

Figura 2.2: Esquema dos processos de limpeza, preparo e extrao da cana-de-acar. Fonte:

Adaptao de UDOP (2012)

Picador 01Picador 02

Desfibrador

Eletro-Im

gua para EmbebioExtrao de vapor para acionamento das turbinas da moenda

Refrigerao de

Mancais

Vapor de Escape

Refrigerao de leo

LubrificantePeneira Rotativa

Caldo Primrio

Caldo Misto

Tanque Caldo

Sistema de Limpeza a

Seco

Caldo Misto para Decantao

gua de Refrigerao

Bagao para Caldeira

Bagacilho para Lodo dos Decantadores

Cana-de-acar

Excedente de Bagao

Bagacilho

Caldo Peneirado

Energia Eltrica

10

Da mesa de alimentao, a cana transportada por esteiras at os equipamentos de preparo.

Os picadores, que so dois conjuntos de facas rotativas girando no mesmo sentido do movimento

da cana na esteira, picam ela em pedaos menores, facilitando o trabalho do desfibrador mais a

frente. Conforme o trabalho que devem desempenhar, existem dois tipos de picadores: os

niveladores, que regulam a camada de cana, e os cortadores, que trabalham sobre essa massa.

Seguindo aos picadores, vm os desfibradores, que so martelos oscilantes empregados para

aumentar a densidade da massa e formar um material mais homogneo e com fibras longas, para

facilitar a etapa seguinte de extrao do caldo. Mas, previamente, a massa de cana passa por um

eletrom que retira materiais metlicos estranhos, que por ventura no foram separados durante a

limpeza ou desprendidos nos picadores e desfibradores (ZOCCA, 2011).

J preparada, a cana encaminhada para a etapa da extrao do caldo em moendas ou,

alternativamente, em difusores. Um segundo objetivo da extrao produzir bagao, no final do

processo, com um grau de umidade que permita sua utilizao como combustvel nas caldeiras

para produzir vapor, usado nos diferentes processos da usina. Alm disso, nesta etapa, onde se

apresenta o primeiro grande uso da gua: a embebio.

A extrao por moagem um processo estritamente fsico, onde a cana passa por um

conjunto de trs a quatro rolos de esmagamento denominados ternos. Normalmente, as moendas

so constitudas de quatro a seis ternos. A liberao do caldo conseguida atravs da passagem

do colcho de cana desfibrada entre dois rolos, submetida a determinadas presses, e por

lavagens constantes (embebio). de fundamental importncia no processo de moagem a

extrao no primeiro terno, decorrente de que este responsvel por cerca de 70% de todo caldo

contido na cana. Nele, obtm-se o caldo primrio, seguindo a massa para o segundo at passar no

ltimo terno, de onde o bagao final segue para as caldeiras.

Durante a moagem ocorre a embebio da massa, que consiste em adicionar gua em

contracorrente com a direo da moagem, favorecendo a diluio da gua com a sacarose contida

na massa. A embebio pode ser simples, composta e com recirculao, sendo o tipo composta o

mais usado. Neste caso, a gua injetada na camada de cana entre os dois ltimos ternos e o

caldo de cada terno injetado antes do terno anterior at o segundo terno, obtendo-se nele o caldo

misto.

11

A taxa de embebio mdia situa-se na faixa de 250 a 300 litros de gua por tonelada de

cana moda. A variao refere-se s condies que a usina suporta maior ou menor quantidade de

gua adicionada ao caldo, uma vez que esta gua dever ser evaporada posteriormente na fbrica

(ELIA NETO, 2009).

Por outro lado, na difuso, diferentemente da moenda, no ocorre esmagamento,

propiciando-se a extrao de caldo da cana a atravs de duas operaes: a difuso (separao por

osmose, relativa apenas s clulas no rompidas da cana) e a lixiviao (arraste pela gua da

sacarose e das impurezas contidas nas clulas abertas).

No processo de difuso, a cana desfibrada alimenta um transportador de cana com fundo

perfurado para permitir a passagem do caldo extrado. A camada de cana preparada dentro do

difusor de aproximadamente um metro e a gua de embebio aplicada no final do difusor na

temperatura de 90 C. No final do difusor so montados dois ternos de moenda: o desaguador e o

secador, com a finalidade de retirar o excesso de gua do bagao.

Outros usos de gua durante extrao encontram-se principalmente para o resfriamento dos

os mancais das moendas e do leo para o resfriamento dos equipamentos do preparo e extrao.

Um avano tecnolgico importante quanto ao sistema de preparo e de extrao da cana o

emprego de motores eltricos para acionamento dos equipamentos, em substituio s turbinas a

vapor usadas na maioria das usinas brasileiras. A eletrificao desses sistemas reduz gastos como

manuteno e consumo de vapor, alm de uma melhor preciso no controle, um processo mais

compacto, nveis de rudo reduzidos, facilidade operacional e economia de energia.

Alternativamente, algumas usinas tm empregado sistemas de acionamento hidrulico, que

representam uma soluo intermediria, do ponto de vista da eficincia e da gerao de

excedentes eltricos, entre o acionamento puramente eltrico e o acionamento puramente

mecnico diretamente viabilizado por turbinas a vapor (LEITE, 2009).

Em resumo, a moagem e a difuso so dois processos de extrao do caldo, sendo apenas

distinto o modo como este processo realizado, apresentando vantagens e desvantagens uma

frente outra. Na Tabela 2.1 so resumidas as principais caractersticas de ambos os processos.

12

Tabela 2.1: Caracterizao dos principais parmetros da moenda e do difusor. Fonte: Elaborado a

partir de Nazato et al. (2011); Lemos (2010); Ensinas et al. (2007); Rocha (2010)

Atributo Difusor Moenda

Extrao Por lixiviao Por presso

Capacidade de extrao de 97,5% a 98,5% de caldo

Extrao em torno de 96,5% a 97,5%

POL% variando entre 0,7% a 1%, no excedendo este limite

Variao da POL% em torno de 1,6% a 2,3%

Qualidade da matria-prima

Extrao deficiente quando a matria-prima possui baixo teor de fibra

No h dificuldades de extrao relacionadas qualidade da matria-prima

ndice de Preparo da Matria-Prima

Para eficincia satisfatria obrigatrio um ndice de preparo de 90% a 92%

Este ndice no precisa ser alto podendo variar entre 80% e 92% para o mesmo grau de eficincia

Caldo O caldo obtido mais limpo e parcialmente clarificado, devido s impurezas retidas pelo bagao.

H bagacilho contido no caldo. Porm aps peneiramento este caldo pode seguir para o setor de fabricao.

Bagao O bagao apresenta uma alta umidade (~80%) e precisa de um desaguador

Bagao com uma umidade mdia de 50%

Custo Inicial Possui custo inicial maior H a possibilidade de expanso dos ternos conforme a necessidade

Manuteno Manuteno fcil e de baixo custo Manuteno difcil e de alto custo

Flexibilidade Operacional

Processo contnuo e automtico, onde interrupes frequentes no so encontradas

Apresenta problemas com interrupes com alta probabilidade de parar a produo

No necessita de operadores especializados

Exige funcionrios especializados em tal processo

Espao Fsico Exige maior espao horizontal, podendo ser instalado ao ar livre

Exige estrutura predial

Mercado Consumidor

Modelo pouco utilizado no Brasil, porm em ascenso

Modelo ainda priorizado nas usinas brasileiras

13

2.1.3. Tratamento do caldo

O caldo de cana obtido proveniente do processo de extrao apresenta impurezas, que

precisam ser eliminadas por processos fsico-qumicos com o fim de obter um caldo de melhor

qualidade para os seguintes processos como a fermentao. O tratamento do caldo pode se

descrever como o conjunto das seguintes operaes: peneiramento (Figura 2.2), aquecimento,

degasagem, calagem, decantao e filtrao do lodo (Figura 2.3), cuja rigorosidade menor

quela observada na produo de acar (DIAS, 2011).

Figura 2.3: Esquema do processo de tratamento do caldo. Fonte: Adaptao de UDOP (2012)

Peneiramento

O caldo comea a ser purificado pela remoo dos materiais em suspenso como o

bagacilho cujo teor varia entre 0,1% e 1,0%, e cuja quantidade presente no caldo depende do grau

de preparo da cana, da variedade de cana e de outros fatores (COPERSUCAR, 1989). A limpeza

do caldo extrado continua atravs de peneiras rotativas integradas ao conjunto de extrao,

enquanto um segundo peneiramento ocorre em peneiras hidrodinmicas, visando a remoo de

material fibroso de menor tamanho, assim como parte dos inertes. O uso de hidrociclones tem

como fim remover partculas mais pesadas como areia e terra (DIAS, 2011).

Sangra do Vapor Vegetal

Condensado da Sangria do

Vapor Vegetal

CaldoMisto

Caldo aquecido

Vapor flash

Balo de Flash

gua de diluio do polmeroPolmero

Soluo gua polmero

Caldo clarificado para concentrao

Lodo

Bagacilho

Leite de Cal

Cal

gua para o Leite de Cal

gua para Lavagem da Torta do Filtro

Torta de Filtro

Caldo Filtrado (retorno)

gua de Refrigerao

para o Condensador Baromtrico

do Filtro Rotativo

Caldo flasheado

Decantador

Tanque de Lodo

Filtro Rotativo a

vcuo

Misturador Esttico Caldo clarificado para preparo do mosto

Caldo Filtrado (retorno)

Energia Eltrica

14

Aquecimento e degasagem

Para descontaminar e facilitar a decantao das impurezas do caldo, com a diminuio da

sua viscosidade, realiza-se o seu aquecimento usando aquecedores tipo tubo e casco com vapor

saturado (de escape ou vegetal) visando elevar a temperatura a 105 C. O aquecimento do caldo

tem como finalidade tambm acelerar e facilitar a coagulao e floculao de coloides e no

acares proteicos; diminuir a densidade e viscosidade do caldo; impedir o desenvolvimento de

bactrias; emulsificar graxas e ceras, acelerando o processo qumico e aumentando a eficincia da

decantao; alm de possibilitar a degasagem do caldo.

Com o objetivo de evitar a flotao por ar disperso na etapa de decantao, uma operao

de degasagem segue ao aquecimento. Ademais, so removidos gases incondensveis, que

prejudicam a decantao, atravs de um balo de flash para alcanar esse fim.

Calagem

A calagem o processo de adio do leite de cal (hidrxido de clcio) ao caldo, elevando o

seu pH a valores da ordem de 6,8 a 7,2. O leite de cal produzido dentro da planta a travs da

mistura da cal virgem (CaO) com gua em tanques apropriados. Esta neutralizao visa eliminar

corantes do caldo, a neutralizao de cidos orgnicos e a formao de sulfito e fosfato de clcio,

produtos que, ao sedimentarem, arrastam impurezas presentes no lquido (ELIA NETO, 2009).

Rein (2007) estima uma proporo do consumo de gua para o preparo igual a 15,6 litros por kg

de CaO para 7Be, enquanto Pizaia et al. (1999), estima um valor de 21,54 litros por kg de CaO

para 5Be para o seu preparo. Ensinas (2008) cita que gua dos condensados de vapor vegetal

pode ser usada para esse fim.

O pH do caldo submetido calagem deve se manter em um valor pouco menor daquele

usado na fabricao de acar (7 a 7,2), decorrente de que a cal pode promover uma

impermeabilizao na parede celular, prejudicando a fermentao e tambm induzindo a

floculao e favorecendo a formao de incrustaes nas colunas de destilao (DIAS, 2011).

Na Figura 2.3 no est representada esta etapa, mas sim a adio de leite de cal no tanque

de lodo segundo Palacios-Bereche (2011).

15

Decantao

No decantador adicionado polmero floculante, cujo fim promover a formao de

flocos, a base de impurezas, de maior tamanho e densidade visando a sua precipitao para logo

serem eliminados. Na decantao devem ocluir nos flocos, o maior nmero de microrganismos

originalmente presentes no caldo. O processamento deve ser realizado a temperaturas que

controlem a propagao dos microrganismos (LEITE, 2009).

Nesta etapa, utiliza-se um decantador ou clarificador continuo, seguindo o caldo clarificado

para as outras etapas do processo. As impurezas sedimentadas na etapa anterior se constituem no

lodo, que enviado para o setor de filtrao com o objetivo de recuperar acar.

Filtrao do lodo

O tanque de lodo tem como finalidade receber o lodo do decantador onde misturado com

o bagacilho, resduo da etapa da extrao, por meio de um agitador. O bagacilho tem a finalidade

de aumentar a reteno dos flocos e, consequentemente, a separao de slidos na etapa de

filtrao. A temperatura do lodo no deve ser menor que 80C, porque diminui a viscosidade e

impede a solidificao de gomas e ceras.

A filtrao do lodo realizada com o auxilio de equipamentos rotativos a vcuo para a

extrao do caldo, recebendo gua para aumentar a remoo de aucares. O sistema de vcuo

trata-se de um condensador baromtrico, requerendo gua quente, com temperatura superior a

80C, assim, segundo Ensinas (2008), os condensados de vapor vegetal podem ser usados para

esse fim. O objetivo da filtrao processar todo o lodo, obtendo uma torta com pol menor que

1% sendo esse parmetro para avaliao do desempenho da extrao de filtrao.

O caldo filtrado reciclado ao processo, sendo misturado ao caldo antes da adio de leite

de cal. Aproximadamente, entre 30 e 40 kg de torta de filtro so produzidos para cada tonelada de

cana moda (DIAS, 2011), a qual apresenta uma grande umidade de aproximadamente 70%

(CAMARGO et al., 1990).

16

2.1.4. Concentrao do caldo por evaporao

Visando alcanar concentraes adequadas do caldo (Brix na faixa de 18 a 19) para atingir

uma fermentao com alto grau alcolico do vinho final a destilar, uma frao do caldo tratado,

com um Brix de 15, concentrada atravs de um sistema de evaporao para logo ser misturada

com a parcela restante at atingir os patamares desejados e formar o mosto.

Uma prtica comum em destilarias autnomas a de realizar a concentrao do caldo em

um nico estgio de evaporao (pr-evaporador). Por outro lado, em usinas de acar com

destilaria anexa, a concentrao do caldo, para fabricao de acar, geralmente realizada em

sistemas de evaporao de cinco estgios (Figura 2.4), at uma concentrao de 65 Brix, assim, o

mosto destinado fabricao de etanol preparado com caldo tratado, xarope concentrado, e

melao proveniente do processo de fabricao de acar (PALACIOS-BERECHE, 2011)

Figura 2.4: Esquema do processo de concentrao do caldo. Fonte: Adaptao de UDOP (2012)

No caso do evaporador de mltiplo efeito ele est formado por sees, ligadas em srie, de

maneira que o caldo sofre uma concentrao progressiva da primeira ltima. No primeiro efeito

(ou pr-evaporador) injetado vapor de escape, formando vapor vegetal que utilizado no

Caldo clarificado

Vapor de Escape

Condensado do Vapor de Escape

Caixa de Condensados

Pr-Evaporador

Vapor Vegetal do 2do Efeito

Condensados do Vapor Vegetal

Xarope

gua Fria

gua Quente

Bomba a vcuo

Sangra do Vapor Vegetal

Condensado da Sangria do Vapor Vegetal

Vapor Vegetal do 3ro Efeito

Vapor Vegetal do 4to Efeito

Vapor Vegetal do 5to Efeito

Vapor Vegetal do 1ro Efeito

Condensado do Vapor

Vegetal do 1ro Efeito

Condensado do Vapor

Vegetal do 2do Efeito

Condensado do Vapor

Vegetal do 3ro Efeito

Condensado do Vapor

Vegetal do 4to Efeito

Energia Eltrica

17

segundo efeito e assim, sucessivamente, at o ltimo efeito, onde o vapor final condensado em

um condensador baromtrico sob vcuo.

O pr-evaporador auxilia na evaporao da gua contida no caldo e gera a maior quantidade

possvel de vapor vegetal, resultando um caldo clarificado na primeira caixa de evaporao mais

concentrado. A temperatura do caldo clarificado tem uma relao direta com a superfcie

necessria neste primeiro efeito (REIN, 2007).

Normalmente a temperatura do caldo clarificado que entra no pr-evaporador de

aproximadamente de 115 C (aps pr-aquecimento) que entrar em ebulio dentro do corpo. Se

a temperatura de alimentao for inferior a 115 C parte da superfcie disponvel no pr-

evaporador ser destinada, exclusivamente a aquecer o caldo at 115 C e posteriormente

evaporar.

A funo dos evaporadores retirar gua presente no caldo para promover a concentrao

do mesmo e possibilitar o processo de formao do cristal aproveitando os vapores gerados. Entre

os fatores que influenciam na eficincia dos pr-evaporadores e evaporadores esto as

incrustaes, mtodos de limpeza, retirada de gases incondensveis, entre outros.

Em qualquer equipamento que utiliza vapor como fonte de calor, aps a sua condensao

necessria uma continua retirada de incondensveis, pois ocupam espao e impedem a entrada de

vapor naquela regio, reduzindo significativamente o processo de transferncia de calor. Se estes

gases no forem retirados continuamente eles iro se acumular e num caso extremo, tomam toda

a calandra interrompendo rapidamente a evaporao. Alm de problemas relacionados com a

diminuio da transferncia de calor, normalmente estes so os principais causadores de

corroso.

A coleta dos condensados dos vapores vegetais de primeiro ao quarto efeito realizada em

um nico tanque que recebe todos os fluxos e que podem ser distribudos para as demandas de

gua com temperatura acima da ambiente como gua de embebio, lavagem de filtro, e preparo

do leite de cal (ENSINAS, 2008).

18

2.1.5. Fermentao

Aps o preparo do mosto, este esterilizado promovendo a inativao trmica dos

contaminantes bacterianos, os quais tm um efeito negativo na fermentao alcolica, assim se

apresenta como uma estratgia preventiva no controle da fermentao em oposio s estratgias

corretivas baseadas no uso de antibiticos (PALACIOS-BERECHE, 2011). Logo, tem-se o

resfriamento do mosto para ser conduzido s dornas de fermentao.

O mosto, sendo uma soluo aucarada, sofre um processo de fermentao alcolica com

leveduras (Saccharomyces cerevisiae), que convertem os acares em etanol, emitindo dixido

de carbono em uma reao exotrmica, seguindo as seguintes reaes simplificadas:

)()()()( 612661262112212 frutoseOHCseglicoOHCguaOHsacaroseOHC ++ (2.1)

kcalCOanoletOHCHCHfrutoseoseglicOHC 5,232)(2)/( 2236126 ++ (2.2)

O processo de transformao dos acares em etanol ocorre em tanques, denominados

dornas de fermentao, onde h a mistura do mosto e do leite de levedura, onde ao terminar a

fermentao, a mistura recebe o nome de vinho (Figura 2.5). Os parmetros caractersticos da

fermentao, atualmente, so (LEITE, 2009):

Rendimento de converso de acar acima de 90%

Teor de etanol em volume no vinho entre 8 - 12 GL

Tempos de fermentao de 6 a 11 horas

Concentrao de fermento no vinho final tpica de 13% v/v

Volume final de vinhoto aps destilao 12-15 litros/litro de etanol

O processo recomendado uma fermentao com vinho final de graduao elevada

(10GL). Isso requer uma fermentao estvel com fermento ativo, livre de inibio, infeco e

floculao. Para atingir essas condies e alta eficincia de converso de acares em etanol,

deve ser instalado um sistema de resfriamento eficiente, devido necessidade da temperatura ser

mantida abaixo de 34 C, assim, preciso realizar o resfriamento das dornas com gua e com o

auxlio de serpentinas ou trocadores de calor a placas, apresentando este ltimo um melhor

desempenho no controle de temperatura.

19

As serpentinas so geralmente de cobre instaladas no interior das dornas, e tem como

principal inconveniente o custo da sua manuteno e que a sua troca trmica relativamente

baixa em relao aos trocadores (ZOCCA, 2011). Elia Neto (2009) estima um consumo de 60 a

80 litros de gua por etanol produzido em circuito fechado e com o uso de torres de resfriamento.

Figura 2.5: Esquema do processo de fermentao. Fonte: Adaptao de UDOP (2012)

O processo de fermentao utilizado nas destilarias do Brasil o Melle-Boinot, cuja

caracterstica principal a recuperao de leveduras a travs da centrifugao do vinho. Assim, a

recuperao de fermento se faz com centrfugas de alta eficincia capazes de concentrar o leite

at 65% em volume, estando prevista a centrifugao sequencial em duas etapas com diluio

intermediria do fermento com gua (LEITE, 2009). Uma centrifugao bem operada ajuda no

controle microbiolgico da fermentao, atravs da eliminao de bactrias no momento da

centrifugao. Dentro dos fatores que comprometem a eficincia das centrfugas se tm o vinho

sujo, fermento infeccionado, etc. (ZOCCA, 2011).

Cuba Dorna de Fermentao

TanqueH2SO4

Leite de Levedura

Tratado(p-de-cuba) Mosto para

Fermentao

Leite de Levedura Recuperado

Xarope

Caldo clarificado

Mosto Mosto Aquecido Mosto Resfriado

Extrao de vapor para Esterilizao do Mosto

gua de Resfriamento do Mosto

gua para Diluio do Fermento

cido Sulfrico

Gases (CO2)

Gases de Fermentao

gua de Resfriamentodas Dornas de Fermentao

gua para Lavagem de Gases

Vinho Delevedurado

Turbinamento

Vinho

Licor de Glicose

Energia Eltrica

20

Decorrente das reaes qumicas da fermentao ocorre a produo de gs carbnico CO2

proveniente das dornas, o qual contm etanol em forma de vapor. Um sistema de lavagem de

gases em torres de absoro permite canalizar o gs e recuperar a soluo alcolica, a qual

encaminhada para o preparo do mosto. O dixido de carbono recuperado na forma liquefeita pode

ser encaminhado a outros mercados, j que o CO2

usado em larga escala em tratamento de

efluentes industriais, como corretor de pH em efluentes alcalinos. O dixido de carbono tambm

utilizado como gs inerte para armazenamento de carvo mineral, carvo vegetal, p de carvo,

combustveis, etc.

Esta levedura recuperada, antes de retornar ao processo fermentativo, recebe um

tratamento, que consiste em diluio com gua numa proporo de 2 a 1 vezes, e adio de cido

sulfrico at o pH de 2,5, eliminando-se bactrias indesejveis e formando o assim chamado p-

de-cuba, que retornado dorna de fermentao.

2.1.6. Destilao

A destilao e a retificao so operaes unitrias que permitem a separao de misturas

de lquidos, em componentes mais simples prximos sua pureza. Assim, o vinho, procedente da

fermentao, com um teor de etanol entre 7 e 10% em massa, concentrado nestas etapas

visando a sua separao da gua, sendo o principal produto o etanol hidratado (AEHC), que

possui 92,6 e 93,8 % de etanol em massa (92,6 - 93,8 INPM). O diagrama simplificado desses

processos mostrado na Figura 2.6.

O processo de obteno de etanol hidratado desenvolve-se atravs de duas etapas. A

primeira se realiza nas colunas de esgotamento, epurao e esgotamento, comumente chamadas

colunas A, A1 e D, as quais, no seu conjunto conformam a coluna de destilao. J a segunda

etapa, realiza-se no conjunto de retificao, composta esta pelas colunas de retificao (coluna B)

e de esgotamento (coluna B1).

21

Figura 2.6: Esquema do processo de destilao e retificao. Fonte: Adaptao de UDOP (2012)

O vinho aquecido previamente no condensador E da coluna de retificao, passando, em

seguida, pelo trocador de calor de vinhaa K da coluna de destilao, visando atingir a

temperatura ideal de operao na coluna de destilao. Quando o vinho submetido ao processo

de destilao resulta em trs componentes: a flegma, uma mistura de vapores hidroalcolicos de

45 a 50 GL; o etanol de cabea ou de segunda, onde se concentram os componentes mais

volteis e nocivos; e a vinhaa, resduo da destilaria a uma taxa mdia de produo de 11 a 13

litros por litro de etanol produzido, com uma riqueza alcolica quase nula, e acumulando nela

todas as substncias fixas do vinho, bem como uma parte das volteis.

A flegma produzida direcionada coluna de retificao B onde concentrada e

purificada. Ao igual que na coluna de destilao se apresentam trs sadas: o etanol hidratado

(AEHC); flegmaa, resduo da retificao da flegma, tambm com uma riqueza alcolica

irrelevante; e o leo fsel, uma mistura concentrada de alcois superiores, etanol, gua e outros

componentes.

Vinho

VinhoParcialmente

Aquecido

VinhoAquecido

Vinhaa

Vapor de Escape

Vapor de Flegma

Flegmaa leo Fselleo Alto

EtanolHidratado

gua de Resfriamento da Coluna de Retificao

gua de Resfriamento da Coluna de

Destilao

VinhaaResfriada

E1E2E

R1 R

K

Vapores Alcolicos

Refervedor

Vapores Alcolicos

Flegma Lquida

lcool de 2da

A

B

B1

A1

D

Vapor de Escape Refervedor

Energia Eltrica

22

As duas colunas, de destilao e retificao, so operadas presso ambiente, empregando

como fonte de calor, vapor de escape de baixa presso (2,5 bar), nos trocadores de calor de

contato indireto (refervedores) no fundo das colunas, a uma taxa mdia de 3 a 3,5 kg vapor por

litro de etanol produzido (LEITE, 2009).

A respeito dos condensadores, eles so trocadores de calor que tem como principal funo

resfriar os vapores alcolicos provenientes das colunas, e cujas necessidades de gua dependem

do tipo de etanol produzido. Apresentando taxas de gua de resfriamento de 50 a 70 litros de

gua por litro de etanol hidratado, ou de 80 a 100 litros para o caso do etanol anidro (ELIA

NETO, 2009).

Novas opes de melhora esto sendo implantadas na indstria, destacando-se a otimizao

do nmero de pratos das colunas, utilizao de vinhos de maiores teores alcolicos, estudos de

internos de torres e de configuraes duplo e mltiplo efeito, otimizao da posio de

alimentao, e da razo de refluxo das colunas. O processo por destilao e retificao em

mltiplos efeitos permite uma reduo do consumo de vapor de processo e da demanda de gua

de resfriamento (DIAS, 2011).

2.1.7. Desidratao

Aps a retificao, o etanol recuperado inicialmente na forma hidratada, com

aproximadamente 96 GL (porcentagem em volume), correspondentes a cerca de 6% de gua em

peso. Nesse ponto, as temperaturas de ebulio do etanol e da gua se tornam iguais e no

possvel mais a sua separao por destilao convencional. Portanto, a partir desse ponto, para

concentrar o etanol a nveis prximos a sua pureza (99,3INPM) se adiciona uma terceira

substncia (solvente) ao sistema que altera o ponto de ebulio da soluo etanol-gua,

permitindo novamente sua separao por meio da destilao, obtendo o etanol anidro (AEAC).

Os principais mtodos para desidratao de etanol que esto sendo aplicados na indstria

sucroalcooleira atualmente so: a destilao azeotrpica com cicloexano, a destilao extrativa

com monoetileno glicol (MEG) e a adsoro com peneiras moleculares. Nos dois primeiros

mtodos, duas colunas so usadas: a coluna de desidratao C, onde se realiza a separao do

etanol a partir da nova mistura; e a coluna P para a recuperao do solvente.

23

Destilao azeotrpica

Nesta operao, o solvente normalmente utilizado o cicloexano (antigamente era usado o

benzeno, mas pelas suas caractersticas cancergenas foi proibido seu uso). Esse solvente, durante

a destilao, tem a capacidade de formar uma nova mistura com a gua (azetropo), que

retirada no topo da coluna em forma de vapor. J o etanol prximo a sua pureza obtido no

fundo da coluna. O novo azetropo condensado e resfriado, para logo ser encaminhado ao

decantador alocado no topo da coluna C (Figura 2.7).

Figura 2.7: Esquema do processo de desidratao via destilao azeotrpica. Fonte: Adaptao

de UDOP (2012)

O decantador um equipamento circular que envolve o topo da coluna C, onde a gua do

condensado dos vapores alcolicos separada por decantao. Na camada superior tem-se uma

fase rica em solvente, que retorna internamente para a coluna C como refluxo, enquanto na parte

inferior forma-se uma camada rica em gua, mas com traos de solvente e lcool, que enviada

para a coluna de recuperao P.

Refervedor

Extrao de Vapor para refervedores

Refervedor

Vapores Alcolicos

Vapores Alcolicos

EtanolAnidro Resfriado

gua de Resfriamento da Coluna de Recuperao

gua de Resfriamento

da Coluna Extrativa

Mistura Solvente-gua

gua de Resfriamento do Etanol Anidro

H H1

I I1

J

Etanol Anidro

Etanol Hidratado

Soluo Alcolica Recuperada

gua Recuperada

Decan-tador

Energia Eltrica

Extrao de Vapor para refervedores

24

A coluna de recuperao fornece gua como produto de fundo, enquanto que no topo saem

os vapores alcolicos, ricos em solvente, que ao serem condensados, uma parte deles retornada

coluna C.

Destilao extrativa

O solvente, mormente usado neste mtodo, o monoetilenoglicol (MEG), o qual

adicionado no topo da coluna C arrastando a gua contida no etanol hidratado que introduzido

no fundo. Nessa coluna se obtm o etanol anidro no topo, enquanto no fundo uma mistura de

solvente e gua, que encaminhada coluna de recuperao P, na qual gua recuperada no topo

e o solvente no fundo. J o solvente recuperado resfriado e bombeado novamente at a coluna

extrativa (Figura 2.8).

Figura 2.8: Esquema do processo de desidratao via destilao extrativa. Fonte: Adaptao de

UDOP (2012)

Refervedor

Extrao de Vapor para refervedores

Refervedor

Vapores Alcolicos

Vapores Alcolicos

EtanolAnidro Resfriado

gua de Resfriamento da Coluna de Recuperao

gua de Resfriamento

da Coluna Extrativa

Mistura Solvente-gua

gua de Resfriamento do Etanol Anidro

H H1

I I1

J

Etanol Anidro

Etanol Hidratado

gua de Resfriamento do Solvente

Solvente Recuperado

Solvente Recuperado Resfriado

gua Recuperada

Energia Eltrica

Extrao de Vapor para refervedores

25

Em ambos os mtodos, as colunas C e P so aquecidas indiretamente nos refervedores com

vapor de escape de 6 a 10 bar, e com consumos na faixa de 1,5 a 1,6 kg vapor por litro de etanol

produzido para o caso da destilao azeotrpica, e de 0,6 a 0,7 kg vapor para o caso de destilao

extrativa com MEG (MEIRELLES, 2006).

Processos de separao por membranas

O inconveniente dos mtodos clssicos que frequentemente so utilizadas substncias que

possuem caractersticas de toxidez, criando situaes de risco aos operadores das destilarias, alm

de consumirem mais vapor. O sistema de separao por peneiras moleculares dispensa o uso de

colunas desidratadoras, utilizando no seu lugar vasos com materiais filtrantes que tem a

propriedade de reter algumas molculas em detrimento de outras. Nesse sistema, as molculas de

gua ficam retidas no material filtrante e posteriormente so retiradas por um processo de

regenerao a vcuo, dando incio a um novo ciclo.

Novas tecnologias esto sendo desenvolvidas e testadas, tais como a pervaporao,

processos termicamente integrados, novos solventes e novas configuraes de colunas visando a

reduo do consumo energtico (WOLF MACIEL, 2009).

2.1.8. Cogerao

O sistema de cogerao fornece vapor e eletricidade para suprir as necessidades trmicas e

eltricas na produo de etanol a partir do bagao de cana-de-acar, baseado no ciclo

termodinmico de Rankine, composto fundamentalmente por uma caldeira, turbina a vapor e um

gerador eltrico.

Do total de bagao produzido nas usinas, uma parcela destinada como reserva tcnica

para partidas do sistema, enquanto a parte restante queimada em caldeiras no prprio ambiente

onde produzida, para a gerao de vapor (CONAB, 2011). Considerando valores

representativos das usinas brasileiras na atualidade, no processamento de uma tonelada de cana, a

disponibilidade de bagao (com 50% de umidade) da ordem de 250 kg, que permite produzir

entre 500 kg e 600 kg de vapor, da mesma ordem do consumo no processo, entre 400 kg e 600 kg

de vapor (BNDES, 2008).

26

A tradio brasileira definiu um padro de caldeira com gerao de vapor na presso de 22

bar, a uma temperatura de 300 C. Nessas condies, ele expandido em turbinas de

contrapresso at 2,5 bar, turbinas estas que acionam os principais equipamentos mecnicos da

usina como picadores, desfibradores, moendas, exaustores e bombas de gua de alimentao das

caldeiras, bem como os geradores de energia eltrica, que fornecida para os vrios setores da

indstria (Figura 2.9). O vapor a 2,5 bar, denominado de vapor de escape, ajustado para a

condio de saturao e enviado para o processo, fornecendo toda a energia trmica necessria na

produo de acar e etanol.

Figura 2.9: Esquema do sistema de cogerao com turbina a contrapresso. Fonte: Adaptao de

UDOP (2012)

A grande demanda por excedentes de energia eltrica tem levado as usinas a optarem pela

gerao de vapor em alta presso, em torno de 65 bar, e temperatura entre 480 e 515C, sendo

esses valores o padro hoje no Brasil (LEAL, 2010). Usinas com caldeiras operando a maiores

presses e temperaturas j existem no mercado na faixa de 90/100 bar e 520/530 C.

As caldeiras usadas no setor sucroalcooleiro so aquatubulares, com queima em suspenso,

e suas fornalhas possuem na parte inferior um sistema de grelhas onde ocorre a queima da parcela

Bagao

leoLubrificante dos Turbogeradores

gua de Refrigerao

Vapo

r de

Esca

peEsterilizao do Mosto

Sistemas de Evaporao

Colunas de Destilao

Colunas de Desidratao

Retorno dos Condensados do Vapor de Escape

gua de Reposio para a Caldeira

Desaerador

Caldeira

Lav. de

gases

Gases de Combusto

gua para Lavagem dos Gases da Caldeira

gua para Lavadores dos

Gases da Caldeira

gua para a Caldeira

Energia Eltrica gerada

Panel de Distribuio de Energia

Energia Eltrica para Consumos Prprios

Vapor Gerado

Extrao de Vapor para Moendas, Picadores, Desfibrador

Purgas da Caldeira

Palha

Extrao de Vapor para oPr-Tratamento do Bagao

para Hidrlise

Turbo Gerador

ExcedenteEnergia Eltrica

Extr

ao

de

Vapo

r pa

ra o

Pro

cess

o

27

de combustvel que no queimou em suspenso. As grelhas podem ser do tipo rotativo, onde a

retirada de cinzas constante, feita pela injeo de vapor, ou do tipo basculante, onde o

acionamento do sistema hidrulico feito manualmente.

O uso das caldeiras aquatubulares decorre de um maior rendimento e presso em

comparao com as caldeiras fogotubulares. Nas primeiras, o fluxo de gua passa pelo interior

dos tubos da caldeira, ficando os gases de combusto do lado exterior, aumentando assim a

superfcie de contato, possibilitando uma maior produo de vapor e uma presso de operao

maior (ALTAFINI, 2002).

A gua de alimentao da caldeira deve ser tratada para remover gases dissolvidos,

especialmente dixido de carbono e oxignio, os quais atacariam as tubulaes nas altas

temperaturas envolvidas. Assim, a gua passada a travs de um desaerador onde atomizada

em vapor a baixa presso (0,29 bar) ou a uma presso relativamente acima da atmosfrica, onde o

vapor injetado aumentado a 1,37 bar. Logo tratado com um adequado reagente como o sulfito

de sdio ativado para trabalhar mais rapidamente (HUGOT, 1986).

A prtica das purgas da caldeira usualmente um procedimento realizado para remover

slidos suspensos que decantam e formam uma capa grossa. As purgas superficiais removem

slidos dissolvidos que se concentram perto da superfcie do liquido, sendo este tipo de purga

mais frequente (CHVEZ-RODRGUEZ, 2010).

Os gases de combusto das caldeiras a bagao so caracterizados basicamente por dois

poluentes: o NOx e o material particulado (MP). Para conter a emisso desses poluentes so

utilizados os lavadores de gases, os quais demandam razovel quantidade de gua e geram igual

volume de gua residual, sendo usados em circuitos semifechados (TORQUATO et al., 2004).

As turbinas podem ser de extrao-condensao ou de contrapresso. Denomina-se turbina

de contrapresso quando a presso de vapor de escape da turbina superior presso

atmosfrica, e isto s se justifica quando se deseja utilizar este vapor como fonte de energia

trmica. Quando se deseja produzir apenas energia eltrica, o vapor de escape condensado e

retorna para a caldeira e, neste caso, a presso de escape inferior presso atmosfrica (entre

0,06 e 0,15 bar), sendo a turbina denominada de condensao.

28

O aproveitamento da palha da cana para gerao de energia uma alternativa promissora

visando o aproveitamento integral dos resduos da produo da cana-de-acar, j sendo testada

est tecnologia em usinas piloto visando a sua factibilidade (OLIVARES et al., 2010)

2.1.9. Resfriamento dos efluentes

Efluentes quentes dos sistemas de resfriamento so normalmente tratados em circuitos

fechados para a remoo da carga trmica e ser novamente reutilizados dentro da usina. Na

indstria sucroalcooleira, dois sistemas so encontrados comumente: lagoas de asperso ou torres

de resfriamento (Figura 2.10).

Figura 2.10: Esquema do sistema de resfriamento por lagoas de asperso e torres de resfriamento.

Fonte: Adaptao de UDOP (2012)

As lagoas de asperso (spray-pond) esto dimensionadas para ter um colcho de neblina

que permita ao ar circular internamente, promovendo a evaporao da gua quente que

pulverizada atravs de uma srie de bicos, sendo retirado o calor latente do sistema, e por

conseguinte, resfriando a gua do sistema que recirculada ao processo.

gua Fria para os Circuitos Fechados

gua Fria para os Circuitos FechadosTorres de Resfriamento

Aspersores

Canal

gua de Reposio

Caixa Pulmo

Caixa Pulmo

gua de Reposio

Perdas de gua

Dornas de Fermentao

Mosto para Fermentao

Turbogeradores

Mancais das Moendas

leo de Lubrificao

Etanol Anidro

Evaporadores

Filtro Rotativo

Colunas de Destilao

Colunas de Desidratao

Solvente

gu

a Q

uent

e do

Res

fria

men

to

gua

Que

nte

do R

esfr

iam

ento

Perdas de guaEnergia Eltrica

29

No caso das torres de resfriamento midas, a gua quente do processo distribuda no topo

da torre (por vertedores de gravidade ou bicos sob presso), descendo em contra corrente (ou em

corrente cruzada) com ar frio. Este aspirado ou insuflado por ventiladores, forando o ar atravs

do enchimento interno, aumentando-se assim o contato ar-gua. A gua fria recolhida na bacia

da torre, sendo da recalcada para o reuso. Na torre de resfriamento, ocorre evaporao por parte

da gua, transferncia de massa da fase lquida (gua) para a fase gasosa (ar), causando o

abaixamento da temperatura da gua que circula na torre (ELIA NETO, 2009).

Uma alternativa torre mida a torre de resfriamento do tipo seco ou fechado. Neste

sistema, como acontece no radiador do carro, no existe perda de gua. O ar circula atravs das

serpentinas de resfriamento por meios naturais ou mecnicos. Contudo, o custo financeiro de uma

torre seca aproximadamente quatro vezes maior por kilowatt que o de uma torre mida natural;

nas torres de resfriamento mido, a prpria evaporao da gua j um processo de resfriamento

(HINRICHS e KLEINBACH, 2001).

De acordo a Ensinas (2008), as torres de resfriamento so usadas para o resfriamento de

efluentes a 30C, saindo a uma temperatura de 25C. Enquanto as lagoas de resfriamento so

utilizadas em correntes com maior carga trmica, diminuindo a temperatura de 50C para 30C.

As correntes utilizadas para cada tipo de resfriamento so descritas na Tabela 2.2.

Tabela 2.2: Classificao das correntes de acordo ao sistema de resfriamento

Torres de Resfriamento Aspersores Dornas de fermentao Sistemas de vcuo: Mosto para fermentao - Filtragem da torta Turbogeradores - Evaporadores Mancais das moendas - Condensadores das colunas de: leo de lubrificao das moendas - Destilao - Retificao - Extrao - Recuperao

Solvente Etanol anidro

30

2.2. Produo de etanol de segunda gerao a partir do bagao da cana-de-acar As matrias-primas, de natureza lignocelulsica, remanescentes aps o corte, colheita e

processamento da cana, para a obteno de acar e etanol, apresentam um grande potencial de

emprego na obteno de etanol de segunda gerao atravs do processo de pr-tratamento e

hidrlise enzimtica. Convertendo a celulose e hemicelulose, principais componentes do material

lignocelulsico, a uma mistura de acares redutores para uma posterior fermentao e

recuperao do etanol por destilao.

A composio do material lignocelulsico consiste, em base seca, principalmente por:

celulose, entre 30-60%; hemicelulose, entre 20-40%; e lignina, entre 15-25% (BALAT, 2011). Os

dois primeiros componentes so polissacardeos, sendo a celulose um polmero linear, rgido e

difcil de ser quebrado, e cuja hidrlise gera glicose, um acar de seis carbonos, com a

possibilidade de ser fermentado atravs da Saccharomyces cerevisiae. A hemicelulose, por seu

lado, est constituda por uma cadeia principal de xiloses, outro acar de cinco carbonos, com

varias ramificaes de manose, arabinose, galactose, etc., e apesar de ser muito ms fcil de ser

hidrolisada do que a celulose, a sua fermentao ainda no to desenvolvida quanto aos

processos envolvendo a glicose. J a lignina um composto qumico complexo que responde

pela resistncia mecnica das plantas e que mantm as clulas unidas (Figura 2.11). Alm disso,

devido a que no est relacionada aos acares, pode ser usada como fonte de energia para o

processo (BNDES, 2008).

Figura 2.11: Distribuio das componentes do material lignocelulsico. Fonte: Tabil et al. (2011)

31

O uso do bagao como matria-prima no processo de hidrlise enzimtica se apresenta

como uma promissria alternativa visando o aumento da oferta de etanol, decorrente do aumento

de excedentes deste.

A procura pela produo de etanol de segunda gerao geralmente avaliada

independentemente da produo de etanol de primeira gerao, no obstante, no caso do Brasil,

devido a que o bagao j se encontra disponvel na planta de produo convencional, a integrao

de ambos os processos se apresenta como uma oportunidade de grande potencial, podendo atingir

uma reduo nos custos de produo do etanol (DIAS, 2011). Desse modo, as duas rotas podem

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