Ricardo de Lima Vasconcelos 18 ; Thais Ramos da Silva 19 ;

Hilário Júnior de Almeida20_{; Camila Pires Cremasco}21_; Luís Roberto Almeida Gabriel Filho22

INTRODUÇÃO

A humanidade atualmente tem o desafio de atender a alta demanda por energia devido à redução das reservas de combustíveis fósseis e aumento das emissões de gases de efeito estufa e as mudanças climáticas (LORA et al., 2013). As fontes renováveis são vistas como uma alternativa para tais problemas, e as biorrefinarias podem garantir o uso das biomassas de forma eficiente.

A cana-de-açúcar pode ser uma fonte de biomassa sustentável e economicamente viável, sendo uma fonte de energia mais limpa (ALVARENGA; QUEIROZ, 2009; MÜHLEN et al., 2017; ROCHA; PANDOLFI, 2019; ROSA; MARTINS, 2013). A indústria sucroalcooleira apresenta potencial de atenuar o impacto dos resíduos produzidos, tanto no setor agrícola quanto no setor industrial de sua cadeia produtiva (ALVARENGA; QUEIROZ, 2009; ROCHA; PANDOLFI, 2019).

A questão, na indústria sucroalcooleira, é que nem sempre a produção é realizada de forma a maximizar a eficiência e minimizar os impactos ambientais. Existem desafios desde o plantio até a colheita, e em todo o processo na indústria. O não reaproveitamento dos subprodutos e resíduos da agroindústria tem impactos econômicos, leva a gastos com insumos, equipamentos, transporte e armazenamento destes resíduos (ALVARENGA; QUEIROZ, 2009).

18_{Doutor em Agronomia (Irrigação e Drenagem), Universidade Estadual Paulista (UNESP), Faculdade de Ciências}

Agronômicas, Botucatu/SP. E-mail: [email protected]

19_{Doutora em Agronomia (Ciência do Solo), professora da Universidade Estadual de Goiás (UEG), Itumbiara/GO. E-mail:}

[email protected]

20_{Doutor em Agronomia (Ciência do Solo), Universidade Federal da Grande Dourados (UFGD), Faculdade de Agronomia,}

Dourados/MS. E-mail: [email protected]

21_{Livre-docente em Matemática Aplicada, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Faculdade de Ciências e Engenharia,}

Tupã/SP. E-mail: [email protected]

22_{Livre-docente em Matemática Aplicada e Computacional, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Faculdade de Ciências}

Há necessidade de uma visão integrada do processo, considerando os aspectos socioambientais necessários ao desenvolvimento econômico. Tal combinação aumenta a relação eficiente entre o uso de recursos e a emissão de substâncias ambientalmente diversas. Sendo assim, o uso dos subprodutos e resíduos, como torta de filtro, vinhaça, bagaço e palhada podem atenuar os impactos ambientais destes processos da indústria sucroalcooleira (SENNA; ANSANELLI, 2017).

Pode-se mencionar de modo geral, as potenciais soluções ou alternativas que contribuiriam para a exploração do setor sucroenergético de forma mais sustentável, como: economia de água (limpeza a seco da cana-de-açúcar), técnicas de reuso de água, renovação dos equipamentos, monitoramento da emissão de gases pelas chaminés, melhoria nos processos produtivos, reduzindo perdas, entre outros (ROSA; MARTINS, 2013).

Neste contexto, o presente capítulo busca apresentar a origem e o aproveitamento dos principais subprodutos e resíduos oriundos da cadeia sucroalcooleira no Brasil, visando a demonstrar o viés de sustentabilidade em cada fase de produção e/ou uso desses na cultura de cana-de-açúcar e/ou na indústria.

Subprodutos e resíduos da produção de açúcar e etanol

A produção agrícola convencional de cana-de-açúcar é extremamente influenciada pelo uso de subprodutos e resíduos. É observado um incremento na diversificação agroindustrial, resultando em maior eficiência da operação canavieira e, consequentemente, revertendo em uma economia sucroalcooleira sustentável, seja na produção e uso destes componentes agrícolas (Figura 1).

Figura 1 – Evolução do conceito de diversificação nas usinas de açúcar e álcool

Fonte: Adaptado de Lora et al. (2013).

Neste capítulo trataremos das possibilidades de reaproveitamento de alguns subprodutos e resíduos da indústria sucroalcooleira, como apresentado na Figura 1: palhada, bagaço, torta de filtro e vinhaça.

Palhada

Durante muitos anos as áreas cultivadas com cana-de-açúcar nas regiões produtoras ao redor do mundo estiveram submetidas ao regime de queima da palhada previamente a colheita, a partir da técnica conhecida como “despalha a fogo”. Esse sistema foi adotado por ser considerado o mais eficiente e econômico para o processo industrial, pois aumenta a produtividade no corte manual e diminui os acidentes provocados por animais venenosos, encontrados com frequência nas plantações.

No processo de queima da palhada da cana-de-açúcar grande quantidade de monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio, hidrocarbonetos e fuligem é lançada na atmosfera, contribuindo para o agravamento do aquecimento global e desencadeando complicações à saúde humana, como hipertensão e problemas respiratórios, principalmente em crianças e idosos.

Deste modo, para evitar os problemas associados às queimadas e manter um sistema de produção sucroenergética mais sustentável, por força do Decreto de Lei Estadual 47.700, de 11 de março de 2003, que regulamenta a Lei Estadual 11.241, de 19 de setembro de 2002, foram determinados prazos de eliminação gradativa da queima da cana-de-açúcar no Estado de São Paulo. De acordo com o texto, áreas mecanizáveis devem eliminar totalmente a queima da cana-de-açúcar até 2021 e áreas não mecanizáveis até 2031.

Assim, com a eliminação gradativa da queima da palhada a área de produção de cana-de-açúcar submetida à colheita mecanizada aumentou rapidamente no Brasil, contribuindo para a diminuição da emissão de gases de efeito estufa e de material ultraparticulado na atmosfera durante o processo de produção de etanol e açúcar.

Neste novo sistema de manejo conservacionista, as folhas secas e os ponteiros da cana-de-açúcar são depositados sobre a superfície do solo formando uma cobertura morta chamada de palhada. Normalmente, a palhada é composta por 54% de folhas secas e 46% de ponteiros. Logo após a colheita da cana-de-açúcar, na maioria das vezes, as folhas secas apresentam teor de umidade de aproximadamente 10%, enquanto os ponteiros apresentam umidade variando de 60 a 70% (FRANCO et al., 2013).

A produção de palhada pela cultura da cana-de-açúcar pode variar de acordo com a variedade, estágio vegetativo, condições edafoclimáticas e práticas de manejo, encontrando-se na faixa de 10 a 30 Mg ha-1 _{(CARVALHO et al., 2017; DIAS et al., 2009;} SANTOS et al., 2014).

A presença da palhada no solo, promove aumento significativo nos estoques de carbono do ambiente produtivo, que consequentemente, aumenta a atividade biológica (BORDONAL et al., 2018; LEITE et al., 2018; PAREDES JÚNIOR; PORTILHO; MERCANTE, 2015; ROSSETTO et al., 2008; SOUSA JÚNIOR et al., 2018), possibilitando a ciclagem de nutrientes no sistema solo-planta e beneficiando a produção das próximas soqueiras com uma menor utilização de adubos minerais/sintéticos (ALMEIDA et al. 2015; FORTES et al., 2013), como pode ser verificado na Figura 2.

Figura 2 – A palhada promove melhores condições para brotação/rebrota de plantas de cana-de-açúcar

Fonte: CNPEM (2020).

Ao longo dos últimos anos, diversos estudos têm mostrado que para cada ciclo de soqueira de cana-de-açúcar a taxa média de decomposição da palhada é de 66% ± 20% do total depositado (FORTES et al., 2012; OLIVEIRA et al., 1999; ROBERTSON; THORBURN, 2007; VITTI et al., 2008;). Nesse sentido, o tipo de solo e seus atributos (KLIEMANN et al., 2006), clima (ALVARENGA et al., 2001; KLIEMANN et al., 2006), disponibilidade de água e oxigênio (AUSTIN; BALLARÉ, 2010; OLIVEIRA et al., 1999) e à composição química da biomassa (OLIVEIRA et al., 1999, 2002) são fatores que promovem diferenças no processo de decomposição da palhada.

No entanto, a quantidade de palhada remanescente no campo após a colheita também pode afetar o seu processo de decomposição, pois mantém uma umidade do solo ideal à atividade microbiana (OLIVEIRA et al., 2002) que beneficia o processo de mineralização (VITTI et al., 2008) e reduz a relação C/N.

Nesse sentindo, podemos dizer que a palhada, bem como os demais subprodutos da cana-de-açúcar, constituem uma excelente fonte alternativa de nutrientes para a macro e microfauna do solo e para a própria cultura da cana-de-açúcar (FAGERIA et al., 2013; GAVA et al., 2003).

Outros benefícios agronômicos são: aumento da infiltração de água e teor de matéria orgânica, formação de macroagregados (GUIMARÃES et al., 2018), elevação da capacidade de troca catiônica e diminuição da compactação do solo (CARVALHO et al., 2017; CHERUBIN et al., 2018; SATIRO et al., 2017), redução do processo de erosão, proteção do solo contra a evapotranspiração excessiva e radiação solar (ANJOS et al., 2017; RONQUIM, 2010). Com a crescente demanda de fontes de energia mais limpas, fez-se necessária a otimização do processo agrícola-industrial, dando oportunidade para a utilização de subprodutos e resíduos de cana-de-açúcar para a produção de bioenergia.

O Brasil é líder mundial na geração de eletricidade renovável, sendo responsável pelo suprimento de cerca de 40% da demanda de eletricidade do país e deste total, 16% é derivado da biomassa da cana-de-açúcar (EPE, 2015). Nesse sentido, a bioeletricidade sucroenergética é a quarta fonte de geração mais importante da nossa matriz, atrás apenas da fonte hídrica, termelétricas a gás natural e das eólicas. Nas usinas sucroalcooleiras no Brasil e no mundo, até o presente momento, apenas sistemas a vapor são utilizados para cogeração de energia elétrica.

A cogeração de energia nas usinas é obtida a partir do ciclo Rankine. Para realização deste processo, a palhada é recolhida nas lavouras e encaminhada para a usina onde, juntamente com o bagaço da cana-de-açúcar, são queimados em uma fornalha que aquece a caldeira aquatubular, produzindo energia térmica na forma de vapor. Em seguida, esse vapor, em alta pressão, gira a turbina interligada ao eixo do gerador, fazendo com que o mesmo também gire, cogerando assim a energia elétrica (CARDOSO et al., 2016; TROMBETA; CAIXETA FILHO, 2017).

A bioeletricidade produzida pela queima da palhada e bagaço em usinas sucroalcooleiras é capaz de suprir toda a demanda da usina durante uma safra e ainda gerar excedentes para comercialização (CARDOSO et al., 2016). Assim, desde 2013, o excedente de eletricidade oferecido à matriz energética nacional pelo setor canavieiro tem sido maior que o utilizado para o seu autoconsumo.

Em 2015, cerca de 60% da cogeração de energia elétrica foram exportados para a rede energética nacional, enquanto 40% foram destinados para autoconsumo nas usinas. Estima-se que para 2020/2021 haja uma cogeração de energia elétrica por volta de 14.400 MW médios (UNICA, 2016). É importante salientar ainda que essa prática também gera resíduos de cinzas, cuja composição química revela presença predominante de dióxido de silício (SiO2).

Tal característica possibilita que este resíduo seja empregado como enchimento de compostos a base de cimento, aumentando sua resistência em até 7% (NUNES et al., 2010).

Além disso, o uso de cinza de cana-de-açúcar aumentou a atividade microbiana e pH do solo, teores de C orgânico, P, K, Ca e Mg, com redução da acidez potencial (CAMPOS, 2014). A palhada da cana-de-açúcar é considerada uma das biomassas mais promissoras para geração de etanol de segunda geração atualmente, pode ser uma alternativa viável (ADITIYA et al., 2016; ZABED et al., 2016), devido ao seu baixo custo e alta disponibilidade (BRASSOLATTI et al., 2016), além de proporcionar o aumento da produção de biocombustível por área (CARDOSO et al., 2016; PEREIRA et al., 2014; ROSSETO et al., 2013).

As alternativas de utilização da palhada da cana-de-açúcar, seja nos aspectos físico- químico-biológicos do ambiente produtivo e na geração de energia elétrica e etanol de segunda geração, são pontos positivos quanto às questões ambientais e econômicas, proporcionando sustentabilidade e viabilidade, contribuindo para a redução da emissão de gases de efeito estufa (GEEs) (GRASEL et al., 2016) e redução no uso de adubos sintéticos. Bagaço

Nas usinas sucroalcooleiras o bagaço é um subproduto gerado na produção de etanol e açúcar, podendo ser reaproveitado tanto para a produção do etanol (51%) quanto para a geração de energia (44%), de modo que as usinas possam ser autossuficientes em termos energéticos (SENNA; ANSANELLI, 2017). O bagaço de cana-de-açúcar representa a quarta produção mundial de fibras celulósicas para fins industriais, estimada em aproximadamente 4,1 trilhões de Mg anuais (MARTINEZ et al., 1997).

Dentro do contexto de produção de energia com menor impacto na atmosfera, o bagaço está incluído. Este tem um potencial de geração de energia equivalente a 25 mil Giga Watts h-1_{, sendo este potencial equivalente a 5,4% dos 461.029 Giga Watts h}-1 _gerados no ano de 2006 por todas as fontes energéticas do Brasil (ALVARENGA; QUEIROZ, 2009; BRASSOLATTI et al., 2016; SANTOS et al., 2017). Este potencial poderia ainda ser aumentado, caso as produções nas usinas sucroalcooleiras fossem modernizadas (CITTADINO et al., 2016).

A modernização na utilização do bagaço diz respeito não somente à sua queima, mas também à secagem para geração energia através do vapor. Essa tecnologia pode gerar um excedente de eletricidade, a cogeração de 123-153 Kwh tc-1 _{ao utilizar parâmetros} de vapor elevados (6,3 MPa) em uma indústria sucroalcooleira (LORA et al., 2013).

Outro recurso bastante moderno e sustentável é o etanol celulósico, também conhecido como etanol de segunda geração ou simplesmente E2G, que pode ser obtido da palhada ou do bagaço originado nas usinas sucroalcooleiras (BRASSOLATTI et al., 2016; GRASEL et al., 2016).

Os açúcares contidos no bagaço são compostos por moléculas longas e complexas, formadas por polissacarídeos não metabolizáveis por leveduras, como ocorre na produção do etanol de primeira geração (BRASSOLATTI et al., 2016; LOPES et al., 2017; MARTINS et al., 2014; SENNA; ANSANELLI, 2017).

Os estágios da produção do etanol de segunda geração estão representados na Figura 3. Após a chegada da biomassa da planta, começa o estágio de pré-tratamento que pode ser alcançado através de ácido diluído, explosão de vapor ou hidrogênio alcalino (SENNA; ANSANELLI, 2017). Os mesmos autores mencionam que o produto sólido da fase de pré-tratamento passa por hidrólise enzimática ou ácida, depois por fermentação e destilação, resultando em etanol líquido (Figura 3).

Figura 3 – Estágios de produção de etanol de segunda geração (E2G)

Entretanto, mesmo o processo sendo mais complexo ele apresenta vantagens ambientais, sociais e econômicas, uma vez que a matéria-prima se encontra na própria usina e não será descartada ou queimada e, assim, não produzirá gases de efeito estufa (GRASEL et al., 2016; LOPES et al., 2017), reduzindo desta forma os danos ambientais em até 90% (SENNA; ANSANELLI, 2017).

A tecnologia de E2G não é tão madura quanto a produção de etanol de primeira geração (E1G) e, portanto, é menos viável economicamente, porém, o rendimento do E2G pode ser aumentado se o bagaço for utilizado, em vez de ser queimado para produzir eletricidade (MACRELLI et al., 2014).

Brassolatti et al. (2016) destacam algumas vantagens da utilização do bagaço de cana-de-açúcar para geração de E2G: mais sustentável, por aproveitar melhor a matéria-prima e seus subprodutos; gera retorno financeiro mais rapidamente, visto que em dois anos é possível implantar a produção deste produto; menor necessidade de investimento inicial, e aproveitamento ambientalmente correto.

O bagaço da cana-de-açúcar tem se destacado na produção de E2G. Grasel et al. (2016), estudando capim-elefante e bagaço de cana-de-açúcar, observaram maior produção de celulose, cerca de 20% a mais em massa de bagaço. Esses autores obtiveram maior rendimento de etanol com o bagaço de cana-de-açúcar em cerca de 96 L por Mg de biomassa seca em relação ao capim-elefante (79 L por Mg de biomassa seca).

A produção de E2G além de apresentar as vantagens citadas acima, tem o potencial de exploração ainda não totalmente explorado.

A geração de energia pela biomassa do bagaço é promissora, contudo, sua secagem e utilização do vapor pode ser a solução para o problema de queima (Figura 4).

Figura 4 – Estágios de produção de energia via bagaço de cana-de-açúcar

Fonte: CPFL (2007).

Vinhaça

A vinhaça é um dos principais subprodutos da indústria de cana-de-açúcar. Durante o processo de produção, uma média de 13 L de vinhaça é gerada para cada litro de etanol, e quase toda essa vinhaça é aplicada ao solo como fertirrigação em toda a fase agrícola da cana-de-açúcar (SOARES et al., 2009). No entanto, a vinhaça pode ser uma fonte significativa de emissão de gases do efeito estufa para a atmosfera. As emissões podem resultar da decomposição aeróbica e anaeróbica da matéria orgânica na vinhaça que ocorre durante o transporte, o armazenamento temporário ou mesmo após a aplicação no solo (ROSA; MARTINS, 2013).

Conforme relatos de Carmo et al. (2012) a aplicação de vinhaça em canaviais no Brasil resultou em aumentos significativos nas emissões de gases do efeito estufa, especialmente o N2O. Esses autores também observaram que a presença da palhada na superfície do solo aumentou as emissões de CO2, N2O e não influenciou os fluxos de CH4 decorrentes da aplicação da vinhaça.

Porém, a vinhaça é um subproduto que pode ser usado como forma de produção mais limpa pela indústria sucroalcooleira, com um manejo mais criterioso.

Um exemplo acontece no Estado de São Paulo, onde o uso da vinhaça é regulamentado pela Companhia Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB), que condiciona as doses a serem aplicadas de acordo com características físico-químicas do solo, além de aspectos ambientais e sociais. De acordo com Raij e Cantarella (1997), para a cultura de cana-de-açúcar a dose varia de 60 a 250 m3 _ha-1_{, contudo a quantidade irá} depender dos teores de potássio em sua composição (Figura 5).

Figura 5 – Aplicação de vinhaça via fertirrigação fornece água e nutrientes para as plântulas de cana-de-açúcar

Fonte: Barros e Maio (2018).

Ela é rica em matéria orgânica, potássio, cálcio e enxofre (ROCHA; PANDOLFI, 2019), o que reforça a importância de sua aplicação de modo correto, particularmente devido ao grande volume de que é gerado. A vinhaça produzida, se dispensada em corpos de água, ou de forma irregular no solo, pode ocasionar desequilíbrio ambiental (ALVARENGA; QUEIROZ, 2009).

Alguns estudos mostram que em cana-de-açúcar cultivada em Argissolo e Latossolo, a utilização de vinhaça in natura e concentrada promoveu teores semelhantes de potássio na folha diagnóstica na variedade CTC 17, podendo, assim, substituir a adubação potássica (XAVIER, 2012).

Outros estudos mostram que, além do potássio, a vinhaça contém carbono solúvel entre 3,5 e 3,6 g L−1 _{e nitrogênio entre 0,09 e 0,35 g L}−1_{, que somados à dose comumente} aplicada no campo, podem alterar a dinâmica da matéria orgânica no sistema produtivo (PENATTI, 1999), e, também, o pH e a atividade microbiana (DOELSCH et al., 2009).

Assim, manter a palhada no solo e adicionar a vinhaça pode ser considerado estratégico por manter ou aumentar a fertilidade do solo em lavouras de cana-de-açúcar ao longo prazo (CANELLAS et al., 2003) e reduzindo a adubação potássica.

No entanto, estudos pioneiros sobre o uso de vinhaça recomendam incorretamente a aplicação de quantidades excessivas de vinhaça aos solos que variam de 500 a 1.000 m3 ha-1 _{(FREIRE; CORTEZ, 2000), levando a resultados inesperados ou negativos caso não haja} uma dose recomendada (ALVARENGA; QUEIROZ, 2009).

Medina et al. (2002) relataram que a aplicação de doses superiores a 300 m3 _ha-1 causaram uma diminuição na produtividade da cana-de-açúcar. Assim, o estudo das interações da vinhaça com os solos e a palhada da cana-de-açúcar é crucial para permitir tomadas de decisão assertivas e consistentes quanto à aplicação deste subproduto. Torta de filtro

A torta de filtro é obtida da mistura do lodo da decantação, originado do processo de clarificação do açúcar, e do bagaço moído (SANTOS et al., 2012), e pode ser utilizada suplementando ou substituindo a aplicação de fertilizante fosfatado (VASCONCELOS et al., 2017).

A moagem de cana-de-açúcar resulta em significativo volume de torta de filtro, que, de acordo com Santos et al. (2012), gera de 20 a 40 kg Mg-1 _{de colmos. Considerando-se} um rendimento médio de 30 kg Mg- 1 _{de colmos e a safra 2018/2019 de 220.211,7 milhões} de Mg de colmos para produção de açúcar (CONAB, 2020) converter-se-ia em aproximadamente 6,606 milhões de Mg de torta de filtro (70% de umidade). A torta de filtro pode ter uma composição variável, pois depende do solo, variedade (aspectos biométricos e fisiológicos) e processo de clarificação (ALMEIDA JÚNIOR et al., 2011).

Antes, a torta de filtro, um passivo ambiental, apresentava a sua disposição no campo, com um potencial efeito contaminante, particularmente quanto ao manejo inadequado. A torta de filtro pode ser uma fonte poluidora (elementos minerais e traços, e principalmente matéria orgânica) que podem contaminar o solo e corpos de água.

No entanto, visto que seu uso é totalmente empregado durante o cultivo de cana-de-açúcar e atualmente busca-se produzir sob protocolos mais rigorosos quanto a interações ambientais (Figura 6).

Figura 6 – Aplicação de torta de filtro na entrelinha de plantio de cana-de-açúcar

Fonte: Sponchiado et al. (2020).

As possíveis contaminações de corpos de água estão condicionadas a falhas na escolha do local para deposição do composto e a aplicação no sulco de plantio de doses excessivas a longo prazo. Segundo Raij e Cantarella (1997), para a cultura de cana-de-açúcar no Estado de São Paulo, recomenda-se a aplicação elevada de torta de filtro (base úmida) em área total (80 a 100 Mg ha-1_{), em pré-plantio e sulco de plantio (15-30 Mg ha}-1_{) ou nas} entrelinhas de plantio (40-50 Mg ha-1_{). Mas mesmo com as recomendações já descritas} ainda ocorre o uso indevido deste subproduto.

No entanto, a torta de filtro pode ter outras aplicações, como nos controles de plantas invasoras e de fitonematoides. Há estudos que avaliaram a torta de filtro como potencial fonte de supressão de plantas invasoras (TOMAZ et al., 2013).

Esses autores mostraram que após 30 dias de aplicação de elevada dose de torta de filtro em solo com textura franco argilo-arenosa, não houve diferença entre a aplicação da torta de filtro e o herbicida em solo exposto no controle de B. decumbens e I. triloba.

Tomaz et al. (2013) também observaram aos 60 dias que o controle verificado pelo uso de torta de filtro e herbicida foi para B. decumbens de 98,8% e 77,5%, respectivamente,