Detalhamento da Fase Industrial

A fase industrial, equivalente ao refino da petroquímica e ao beneficiamento do carvão mineral, transforma a biomassa em produto desejado, partindo do caldo da cana até o etanol por meio de fermentação anaeróbica com leveduras específicas.

A grande diferença no balanço energético entre E1G de cana brasileira e E1G de outras biomassas, tanto amiláceas como açucaradas, é o uso do bagaço para fornecer toda a energia operacional necessária na fase industrial. Nas outras tecnologias, os coprodutos e resíduos agrícolas não são considerados como crédito energético, tem outras aplicações para pecuária e agricultura. No Resultados, fica evidente esta grande vantagem no balanço energético, ao comparar os resultados com e sem crédito de energia do bagaço.

A fase industrial é dividida em 4 grupos: recebimento, extração do caldo, fermentação, e destilação., como ilustrado na Figura 3-4.

Figura 3-4 Grupos e Atividades da Fase Industrial

Fonte: Elaboração do Autor Recebimento

•recebimento da carga, análise, pesagem, descarga •limpeza mecânica

Extração Caldo

•extração de ATR por moagem ou difusão •tratamento químico com clarificação e decantação •concentração para fermentação

Fermentação

•fermentação por leveduras, processo batch ou contínuo •separação biomassa levedura para reaproveitamento

•filtração para retirada de outros resíduos sólidos gerando torta de filtro

Destilação

•concentração do mosto para destilação •destilação por torres de múltiplo efeito

•produção de vinhaça, óleo fúsel e outros resíduos

109 A fase industrial, equivalente ao refino da petroquímica e ao beneficiamento do carvão mineral, transforma a biomassa em produto desejado, partindo do colmo da cana, passando para caldo da cana até o etanol por meio de fermentação anaeróbica com leveduras específicas.

Embora não seja estritamente parte do ciclo operacional da fase industrial de produção de E1G de cana, o grupo CoGeração é um grupo extremamente importante, fundamental para o bom balanço energético do E1G de cana-de-açúcar. Este grupo de atividades aproveita o bagaço de cana como fonte de energia, queimando-o em caldeiras, produzindo vapor superaquecido que gera energia elétrica para uso interno, vendendo excedentes de eletricidade para a rede pública, e gerando energia mecânica por meio de turbinas de vapor ou por meio de energia elétrica adicional para uma instalação com os motores eletrificados. Vapor de processo é extraído em vários pontos do circuito, com temperaturas e pressões desejadas, geralmente a baixas pressões (2,5 a 3,0 bar apenas) e com vapor saturado. Este vapor serve de fonte de calor para atividades de evaporação, destilação, e outras atividades que precisem de calor úmido.

Uma usina com as melhores práticas é totalmente auto-suficiente em energia e ainda exporta energia elétrica para a rede pública. A fração exportada depende da otimização dos equipamentos internos, e das características do sistema de cogeração instalado. Geralmente a potência instalada, com equipamentos de última geração, é da ordem de dezenas de MW, com caldeiras de 90 bar e 540°C.

Grupo Recebimento tem as atividades de recebimento da carga de cana, amostragem para estimativa de ATR e portanto do preço a ser pago ao fornecedor (tanto próprio como externo independente), descarga na área de limpeza, limpeza e movimentação para a área de alimentação de moagem/difusão.

Grupo Extração de Caldo recebe colmos ou toletes já limpos, extrai o caldo por moagem mecânica ou por processos de difusão com água. O processo de moagem é mais tradicional, usa bastante energia mecânica, mas gera um bagaço com umidade próxima de 50% ou até algo abaixo. Difusão extrai mais ATR da cana, usa menos energia, mas deixa o bagaço com mais umidade e diminui rendimento da queima do bagaço na caldeira. Cada caso é um caso diferente, depende do cultivar e até do clima antes da colheita, para melhorar rendimento de moagem ou de difusão.

Antes da moagem, a cana geralmente é picada para facilitar homogeneização na esteira de alimentação, e passa por desfibradores com lâminas que procuram quebrar as fibras e expor as células vegetais para máxima extração. A moagem é feito em vários

110 grupos de moendas, cada um com 3 a 4 rolos. O bagaço vai passando de um conjunto para o próximo, e nos finais, é usado água de embebição para extrair o máximo possível de açúcares.

O caldo extraído passa por um tratamento químico de clarificação com vários insumos industrializados em tanques agitados, seguidos de polímeros floculantes e decantação final. A filtração gera as tortas de filtro que podem ser usados como coadjuvantes de adubação. O caldo extraído, agora limpo e contendo básicamente ATR, ainda passa por aquecimento a vapor para concentrar o caldo e melhorar o rendimento nas dornas de fermentação.

Grupo Fermentação recebe o caldo semi-concentrado e usa leveduras específicas em fermentação anaeróbica, onde sacarose é usado como substrato em bioreator, servindo de fonte de alimentos para os microrganismos. Como produto final, temos não só etanol, em concentrações ao redor de 11%, como também pequenas frações de outros produtos orgânicos resultados do metabolismo das leveduras. E claro, produção de alguma biomassa extra na forma de mais levedura. A saída da Fermentação é uma mistura de caldo, etanol, subprodutos orgânicos, e células de levedura. Que passa por centrifugação para retirada da biomassa sólida, e a seguir concentrado de novo com calor antes de seguir para destilação. As leveduras retiradas passam por tratamento para retirar as células mais viáveis e para esterilização para minimizar contaminação com outros biopatógenos.

O caldo resultante finalmente vai para a torre de destilação, onde passa por várias torres interligados e por dezenas de pratos de destilação, gerando como resultado final etanol hidratado e muita vinhaça, em uma proporção de 10 a 15 vezes o volume de etanol produzido (SOUZA, 2010; NOGUEIRA, 2008). Vinhaça pode ser reaproveitado parcialmente para fertirrigação, mas sempre sobra vinhaça, que precisa ser tratada como resíduo com alto impacto ambiental. O uso da vinhaça também consome energia, seu uso não foi considerado neste balanço energético.

O maior consumo de energia é nas atividades de concentração de caldo e destilação, além da energia mecânica necessária para moagem e difusão para extração de ATR.

Normalmente, a queima do bagaço gera toda a energia mecânica, elétrica e calor de processo necessários para a produção industrial, mesmo nas usinas mais antigas. Nas usinas mais modernas, com caldeiras de alta pressão, como 90 bar e temperatura de 540oC, existe excedente de energia que pode ser convertida em energia elétrica e

111 vendida para a fornecedora local de energia elétrica. Eletrificação total dos equipamentos de extração de caldo também aumenta a eficiência global da fase industrial. Mesmo levando em conta a energia indireta dos equipamentos, prédios e químicos necessários, a fase industrial é práticamente autosuficiente.

No entanto, a contribuição da energia indireta é menor que na fase agrícola. Primeiro, a energia de movimentação de biomassa fica alocado para fase agrícola, e a entrega do etanol fica alocado para a fase de Distribuição. Além disso, a infraestrutura tem uma vida longa, medido em décadas, e baixa manutenção, ao contrário do que acontece com equipamentos agrícolas, usados em um ambiente muito mais rude e exposto ao clima e tempo ambiente.

Não foi incluído nesta dissertação a energia direta e indireta dos equipamentos de movimentação de material dentro da usina, transporte, e humanos, por falta de informações detalhadas e confiáveis.