Geração de vinhaça na produção de etanol de 1ª geração (aspectos qualitativos e quantitativos)

A vinhaça é o subproduto aquoso formado na destilação do etanol seguida da fermentação de carboidratos. Na Figura 3.1 apresenta-se um esquema genérico da produção do etanol, com suas entradas e saídas. A vinhaça representa a maior perda de todo o processo em volume e massa. Para cada litro de etanol produzido, estima-se que 9-14 L de vinhaça sejam gerados JIMÉNE); BORJá; MáRT́N, ; WILKIE; RIEDE“EL; OWENS, 2000).

Figura 3.1 – Esquema genérico do processo de produção do etanol: componentes, entradas e saídas. Adaptado de Wilkie, Riedesel e Owens, (2000)

A vinhaça não é um efluente com características bem definidas, principalmente porque depende do tipo de matéria-prima utilizada na produção do etanol e de como as etapas da produção mostradas na Figura 3.1 ocorrem.

Um dos aspectos determinantes para as características desse efluente é a diversidade de fontes das quais o etanol pode ser produzido. São elas: centeio, trigo, raízes (como batatas, beterrabas, etc), milho, sorgo e cana-de-açúcar, entre outros (KRZYWONOS et al., 2009). Essas fontes podem ser divididas em matérias-primas baseadas em açúcar e baseadas em amido. Enquanto que nos Estados Unidos e União Europeia o etanol é produzido principalmente do amido, no Brasil 100% do etanol advém

31 da cana-de-açúcar (TOLMASQUIM, 2007). Existe, portanto, variedade entre as vinhaças produzidas em diferentes países.

Wilkie, Riedesel e Owens, (2000) relatam a influência das etapas da produção do etanol nas características da vinhaça. Na etapa de pré-processamento, requerida para fontes baseadas em amido, a eficiência da separação irá influenciar no meio reacional fermentativo. Há também, nessa etapa, variação da salinidade da vinhaça pelas correções de pH. Produtos resultantes das fases de hidrólise e desintoxicação podem gerar problemas na fermentação, como, por exemplo, inibição microbiana. Mudanças no processo de fermentação relacionam-se diretamente com a variação das características da vinhaça. Nessa etapa, quanto mais eficiente for a fermentação, menor a DQO da vinhaça resultante. Para 1% do açúcar residual (baseado em glicose), espera-se um aumento de 16g/L na DQO desse subproduto. Quanto à destilação, em termos volumétricos, a relação etanol/vinhaça é inversamente proporcional, sendo que o aumento da eficiência na produção do etanol leva à queda na geração de vinhaça.

Na Tabela 3.1 apresentam-se as composições químicas de vinhaças de diferentes matérias-primas. Pode-se observar que há bastante variedade nos parâmetros de cada tipo de vinhaça. A DBO, por exemplo, é extremamente alta na vinhaça de beterraba, se comparada com a vinhaça de sorgo doce. A diferença fica visualmente evidente quando se observam as barras sombreadas.

Tratando-se especificamente da produção industrial do etanol por meio da cana- de-açúcar, sabe-se que a adequada destinação ambiental da vinhaça é um dos grandes problemas relacionados ao processo. Isso ocorre, pois a vinhaça excede em massa e volume os demais rejeitos do processo, contendo grande quantidade de matéria orgânica, nutrientes e também metais pesados (Tabela 3.1).

32 Tabela 3.1 – Composição química da vinhaça para diferentes matérias-primas.

Fonte: Christofoletti et al., (2013)

Todos os valores, exceto o pH, estão expressos em mg.L-1

a _{Unidade em mg.Kg}-1_{; O sombreamento indica a proporção entre as magnitudes dos parâmetros numa} mesma linha.

As principais alternativas de uso para a vinhaça de cana-de-açúcar são a concentração por evaporação, que consiste na fervura da vinhaça para remoção da água por evaporação, sem perda de sólidos, tornando o produto mais concentrado; o uso na construção civil; a fabricação de ração animal; a produção de levedura; a fertirrigação, ou infiltração da vinhaça in natura no solo por irrigação; e a produção de energia (Figura 3.2).

Cana-de-açucar Uva (vinho) Beterraba Sorgo doce

pH 3,9 2,9 5,1 4,5 DBO 5046 18900 78300 46 DQO 13380 - - - Potássio 2056 118-800 10,000-10,030 - Sódio 50,2 - 3,79 - Sulfato 710 120 0,62 - Cálcio 719 - 0,71 - Magnésio 237 - 1,23 - Fósforo total 190 83 91 1990 Dureza 2493 - - - As - - - - Ba 0,41 - - - Cd - 0,05-0,08 <1a - Cr 0,04 - - - Cu 0,35 0,2-3,26 2,1-5,0a 37 Hg 0,0019 - - - Mo 0,008 - - - Ni 0,03 - - - Pb - 0,55-1,34 <5a - Se - - - - Zn 1,66 - - - Vinhaça Parâmetros

33 Figura 3.2 – Esquema das principais alternativas de uso para a vinhaça de cana-de-açúcar. Adaptado de Christofoletti et al., (2013).

A disposição da vinhaça in natura no solo, ou fertirrigação, é muito usada e é justificada pelo fato de ser rica em diversos nutrientes e minerais (LAIME et al., 2011). Porém, esse procedimento pode mudar as características químicas e físicas do solo e provocar contaminação de lençóis freáticos. Problemas de infiltração devido à aspersão da vinhaça foram identificados, por exemplo, no Aquífero Bauru no Brasil. Estas questões mostram a urgência no desenvolvimento de soluções ambientalmente adequadas para a destinação desse efluente (SANTOS et al., 2013).

O tratamento biológico, por sua vez, é reconhecido como um método efetivo de tratamento de águas residuárias com alto potencial poluente provenientes da agroindústria, incluindo destilarias. Dentro dessa temática, estudos sobre o tratamento anaeróbio da vinhaça têm sido largamente documentados na literatura (Tabela 3.2). Muitos desses trabalhos visam o entendimento dos diversos tipos de reatores e do processo anaeróbio de tratamento para a geração de biogás, visto que seus componentes (metano, gás carbônico e hidrogênio) são fontes de energia capazes de reduzir a dependência de energia fóssil nas atividades humanas.

34 Tabela 3.2 – Trabalhos sobre o tratamento de vinhaça usando reatores biológicos

Tipo de vinhaça Tipo de reator Principais características Autores

Melaço de beterraba, passas, vinho e figo USBBa seguido por reator em batelada

Reatores em dois estágios

em condição termofílica Vlissidis e Zouboulis, (1993)

Vinho vermelho Reator contínuo

com agitação

Imobilização covalente de metanogênicas em

polímero

Lalov, Krysteva e Phelouzat, (2001)

Da produção de

álcool etílico Reator de vidro

Variação do tipo de pré-

ozonização Martín (2002)

Cana-de-açúcar AnSBBRb Análise da biomassa Ribas, Chinalia e Pozzi (2009)

Tequila ASBRc Variação da concentração inicial do substrato, da temperatura e do tempo de detenção hidráulica Buitrón e Carvajal (2010)

Palha de trigo UASBd Condição termofílica Kaparaju, Serrano e Angelidaki,

(2010) Cana-de-açúcar UASB Características de uma empresa do setor sucroalcooleiro localizada no estado do Paraná

Szymanski, Balbinot e Schirmer (2010)

Cana-de-açúcar Reatores em

batelada

Pré-ozonização em

condição mesofílica Siles et al. (2011)

Cana-de-açúcar Reatores em

batelada Produção de biohidrogênio Fernandes et al. (2010)

Cana-de-açúcar

Dois estágios de reatores em

batelada

Variação do efluente Peixoto et al. (2012)

Cana-de-açúcar UASB modificado Variação da carga orgânica España-Gamboa et al. (2012)

Vinhaça

sintética AFBR

e

Análise da biomassa Rodríguez et al. (2012)

Cana-de-açúcar AFBR Variação da carga orgânica Siqueira, Damiano e Silva (2013)

Cana-de-açúcar 2-SAnMBRf Performance do reator Mota, Santos e Amaral (2013)

a_{Upflow Sludge Bed Bioreactor;} b_{Anaerobic Sequencing Batch Biofilm Reactor;} c_{Anaerobic Sequencing Batch} Reactor; dUpflow Anaerobic Sludge Blanket reactor; eAnaerobic fluidized bed reactor; fTwo-stage submerged anaerobic membrane bioreactor

A partir das conclusões de diversos trabalhos, sabe-se que o tratamento biológico da vinhaça tem grande potencial energético e impactos favoráveis ao meio ambiente, podendo, ser, portanto, visto como destinação ambientalmente adequada para esse efluente. Por exemplo, é possível a redução orgânica significativa de efluentes com alta carga, que é o caso da vinhaça, obtendo-se saldo energético positivo (VLISSIDIS; ZOUBOULIS, 1993). Além disso, a purificação do biogás gerado pode fazer com que seu poder calorífico se aproxime daquele observado no gás natural (SZYMANSKI; BALBINOT; SCHIRMER, 2010). Entre esgoto doméstico, glicerina, água residuária de arroz

35 parboilizado e vinhaça, a última apresentou a maior produção de energia e remoção de matéria orgânica (FERNANDES et al., 2010; PEIXOTO et al., 2012). Para encerrar a lista de exemplos, pode-se também aumentar a produção de metano pelo pré-tratamento da vinhaça por ozonização (MARTÍN, 2002; SILES et al., 2011).

3.2 Fundamentos do reator anaeróbio operado em batelada sequencial (ASBR e