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Aula Parte 3

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EN3419 - TECNOLOGIA DE PRODUÇÃO DE ETANOL

Dalmo Mandelli (CCNH – Química)

Dalmo Mandelli (CCNH – Química)

https://sites.google.com/site/ufabctecnologiaetanol/

(2)

A PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR COMO MATÉRIA-PRIMA PARA PROCESSOS DE SEGUNDA GERAÇÃO

2

Luís Augusto Barbosa Cortez (Coordenador)

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Quando o setor sucroalcooleiro alcançar toda a sua capacidade, poderá produzir 30 milhões de MWh/ano, o que representa 9% da energia

fabricada no Brasil...minimizando os riscos de apagões” T. C. C. Ripoli, Esalq/USP, Revista ALCOOLbras, 86, 2004.

g1.globo.com, 11/11/2009 Avenida Paulista às escuras durante o apagão

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g1.globo.com, 11/11/2009

Blecaute no pólo petroquímico de Capuava, em Mauá

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Palhiço = material remanescente da colheita sobre a superfície do terreno, principalmente a mecanizada, constituído de folhas verdes, palhas, ponteiros e frações dos colmos, de raízes e partículas de terra a elas aderida

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Palha = constituída basicamente pelas folhas verdes e pelas folhas secas.

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O crescente desenvolvimento alcançado pela indústria da cana-de-açúcar no Brasil, principalmente com foco na produção de etanol combustível, tem gerado um atraente incentivo no aproveitamento dos excedentes de bagaço produzidos.

Isto tem ocorrido devido à inserção de novas e mais avançadas

tecnologias agrícolas e industriais, e na recuperação integral ou parcial dos resíduos agrícolas da cana - RAC, na forma de palhiço ou palhada, dos resíduos agrícolas da cana - RAC, na forma de palhiço ou palhada, ou de algumas das suas frações (folhas e palha).

Essa visão de desenvolvimento agroindustrial é conceitualmente

inovadora na implementação, podendo trazer grandes ganhos pelo aumento significativo na produção de energia.

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Isto pode ocorrer com base na plataforma termoquímica a partir da

cogeração na forma de energia elétrica, ou com base na plataforma

bioquímica (plataforma de açúcares) na forma de etanol combustível, além de outros coprodutos e/ou subprodutos diretos e indiretos do processo.

Estas otimizações podem ocorrer sem exigir aumentos proporcionais nas

áreas de plantio de cana.

Esse novo conceito de aproveitamento da cana é conhecido como "aproveitamento integral",

Permitirá melhorar os atuais índices de produtividade em etanol/ha de cana colhida, a geração relativa de energia renovável na produção de etanol e os impactos ambientais na produção e uso do etanol.

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As matérias-primas de caráter lignocelulósico obtidas como resultado da colheita e o processamento industrial da cana-de-açúcar (isso é

basicamente o bagaço e os resíduos agrícolas da cana - RAC) mostram

elevado potencial de utilização na produção de energia,

Esta energia, na sua forma direta ou indireta (energia térmica e

biocombustfveis), pode ser obtida por meio de tecnologias de conversão baseadas em rotas bioquímicas (hidrólise) e termoquímicas (combustão,

baseadas em rotas bioquímicas (hidrólise) e termoquímicas (combustão, pirólise e gaseificação).

Até o ano de 2031, toda a palha de cana-de-açúcar gerada durante a colheita no Brasil poderá estar disponível para recuperação e posterior utilização.

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Métodos de colheita de cana e palha deverão ser implementados ao longo desses anos, baseados em princípios e conceitos compatíveis com as

necessidades e economia dos processos.

Da mesma forma, sistemas de limpeza da cana por meio de estações de limpeza com recuperação da palha deverão fazer parte do pacote industrial da usina sucroalcooleira.

da usina sucroalcooleira.

A palha de cana deverá ocupar um lugar de destaque, junto ao bagaço de cana, como matéria-prima, para a produção de combustíveis ou produtos químicos.

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A LEI SOBRE AS QUEIMADAS DE CANA-DE-AÇÚCAR NO BRASIL E O APARECIMENTO DA PALHA – COLHEITA E RECUPERAÇÃO DA PALHA DE CANA

Queima prévia dos canaviais: uma solução para aumentar o rendimento do corte manual da matéria-prima, visando unicamente ao aproveitamento do colmo da cana-de-açúcar.

Danos ao meio ambiente levou à intervenção de órgãos públicos sancionando Danos ao meio ambiente levou à intervenção de órgãos públicos sancionando

leis que visem ao controle ou à extinção das queimadas, ou mesmo por meio da intervenção de associações representativas do setor.

No âmbito federal, a queima da cana-de-açúcar é regulada pelo

Decreto 2.661/98, em que é estabelecido o fim progressivo da prática da queima controlada, considerando exclusivamente áreas passíveis de mecanização.

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Já no Estado de São Paulo, existe a Lei 11.241/02, que é de caráter mais restritivo que a lei federal, já que estabelece o fim progressivo da queima da cana-de-açúcar em áreas mecanizáveis e não mecanizáveis.

O prazo final para extinguir a queima da cana em áreas mecanizáveis e não mecanizáveis são os anos de 2021 e 2031, respectivamente.

Em junho de 2007, um protocolo de cooperação entre o Governo do Estado de Em junho de 2007, um protocolo de cooperação entre o Governo do Estado de São Paulo, a Secretaria de Estado da Agricultura e Abastecimento e a União da Agroindústria Canavieira de São Paulo - Única, anteciparam os prazos para o fim da queimada anteriormente fixados pela Lei citada (figura à seguir)

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Esse protocolo já foi assinado por 155 usinas instaladas no Estado, o que representa 90% das empresas paulistas do setor e mais 24 cooperativas de fornecedores de cana.

O Estado de São Paulo possui grande importância no setor sucroalcooleiro nacional.

Em 2007, São Paulo produziu aproximadamente 60% do total de cana

plantada no Brasil, enquanto que o segundo colocado, o Estado do Paraná,

plantada no Brasil, enquanto que o segundo colocado, o Estado do Paraná, produziu cerca de 8% do total nacional (IBGE, 2009).

INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSICA (IBGE). Tabela: quantidade produzida (toneladas) de cana-de-açúcar no Brasil e Unidades da Federação no ano de 2007.

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Portanto em pouco tempo haverá uma grande disponibilidade de palha da cana-de-açúcar.

Duas ações independentes poderão ser tomadas: a) deixar a palha da cana-de-açúcar no campo ou

b) reaproveitá-la como matéria-prima para a produção de combustíveis ou b) reaproveitá-la como matéria-prima para a produção de combustíveis ou

produtos químicos.

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Palha de cana-de-açúcar no campo

Aspectos favoráveis: contribuição da cobertura vegetal para o solo, em termos de controle de erosão, retenção de umidade, e melhoria nas

propriedades biológicas, químicas e físicas oriundas da decomposição do palhiço na superfície do solo.

Problemas: retardamento na brotação devido à menor incidência de luz, aliada à diminuição da temperatura do solo e aumento da umidade com

conseqüente proliferação de doenças; a imobilização de nutrientes minerais, principalmente o nitrogênio, as dificuldades na operação das máquinas para realização de tratos culturais; a maior incidência de pragas, entre outros.

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Recuperação da palha de cana-de-açúcar

Atualmente, a tecnologia difundida no mercado para colheita de cana picada pode viabilizar a recuperação da palha de duas formas:

a) por meio do recolhimento da palha que é lançada ao solo durante a operação de colheita, pela ação dos extratores das colhedoras

b) via colheita integral em que a palha é processada pelas colhedoras com os b) via colheita integral em que a palha é processada pelas colhedoras com os

colmos industrializáveis e, consequentemente, lançada no transbordo e rodotrem, para posteriormente ser encaminhada à usina.

amocaminhoes.wordpress.com

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Estudos desenvolvidos para recolhimento do palhiço mostram duas informações fundamentais:

a) qual sistema apresenta o menor custo por tonelada

b) qual a percentagem de terra existente no palhiço entregue na usina.

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Custo do palhiço posto na usina é importante, no entanto é fundamental

saber o custo da energia do palhiço e qual dos sistemas apresenta melhor eficiência energética.

Pode-se chegar a resultados de um determinado sistema de recolhimento

em que o custo por tonelada seja o menor deles, porém o custo por energia, na forma de palhiço, não deve ser mais vantajoso.

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Estudo interessante - balanço de custos de recolhimento da palha para três rotas estudadas:

1. Colheita de cana sem queima com os ventiladores das colhedoras ligados, ficando todo o palhiço no campo para posterior enfardamento (Rota 1 - Rota de referência).

2. Colheita de cana sem queima com os ventiladores das colhedoras

desligados, seguindo todo o palhiço com a cana, sendo posteriormente separado

20

desligados, seguindo todo o palhiço com a cana, sendo posteriormente separado na estação de limpeza (Rota 2).

3. Colheita de cana sem queima com os ventiladores secundários das colhedoras desligados, seguindo parte do palhiço com a cana, sendo

posteriormente separado na estação de limpeza, e parte permanecendo no campo (Rota 3).

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Parâmetros técnicos do corte, carregamento e transporte

21 Rota 1. Ventiladores ligados, todo o palhiço no campo para posterior enfardamento

Rota 2. Ventiladores desligados, todo o palhiço com a cana posteriormente separado na estação de limpeza

Rota 3. Ventiladores secundários das colhedoras desligados, parte do palhiço com a cana posteriormente separado na estação de limpeza e parte permanecendo no campo

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Custo total do palhiço

22 *PCS, base seca

Levando-se o palhiço com a cana e fazendo-se a separação na usina levou a um maior recolhimento da palha

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23 Estimativa do custo total do palhiço recolhido em vários

sistemas, para três distancias (15,5 e 100 km).

A distância de transporte tem grande influência na formação do custo de recolhimento do palhiço, uma vez que este aumenta significativamente com o incremento da distância do transporte.

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24 Estimativa do custo total do palhiço recolhido em vários

sistemas, para três distancias (15,5 e 100 km).

O tipo de sistema a ser usado no recolhimento pode ser escolhido em função da distância do local onde seria recolhido o palhiço.

É possível usar diferentes sistemas, variando-os de acordo com a distância a ser transportado e considerando qual finalidade terá o palhiço.

(25)

25 Estimativa do custo total do palhiço recolhido em vários

sistemas, para três distancias (15,5 e 100 km).

Caso o palhiço tivesse a finalidade de ser utilizado na geração de energia

mediante sua queima em caldeiras, e as áreas de produção fossem próximas

à usina, uma boa opção seria a utilização de sistemas de recolhimento com menor investimento, tais como: o picado a granel ou colheita integral.

(26)

26 Estimativa do custo total do palhiço recolhido em vários

sistemas, para três distancias (15,5 e 100 km).

Contudo, se o palhiço a ser recolhido fosse produzido longe da usina e sua finalidade fosse a venda para terceiros, como cama de frango ou cobertura morta, o uso de sistemas de enfardamento seria mais adequado.

(27)

Impurezas no palhiço

A principal impureza presente na cana-de-açúcar é a terra.

Fatores que influenciam a presença de terra na cana-de-açúcar:

procedimentos adotados para carregamento e colheita, tipo de máquina

utilizada, tipo de solo, variedade da cana, número de cortes da cana, pressa

no carregamento, entre outros.

A ação dos discos de corte basal e os sistemas de ventilação das

27

A ação dos discos de corte basal e os sistemas de ventilação das

colhedoras levam ao acúmulo de partículas de solo, tornando-as um dos constituintes do palhiço já na sua condição in natura sobre o terreno.

Comparação da quantidade de terra entre três sistemas de recolhimento do palhiço:

4,5% à granel

1,4% colheita integral

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DEFINIÇÕES E CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E MORFOLÓGICA DOS RESÍDUOS AGRÍCOLAS DA CANA-DE-AÇÚCAR - RAC

Resíduos agrícolas da cana – RAC:

Resíduos vegetais da cana que ficam no campo após a colheita da mesma, e estão constituídos pelos elementos palha, folha, bainha, ponteiros, frações do colmo, sempre na presença de impurezas mecânicas, tais como raízes da planta e terra.

28

mecânicas, tais como raízes da planta e terra.

Esse conjunto já é bem definido como sendo o palhiço ou palhada.

A folha da planta da cana-de-açúcar é dividida em duas partes: bainha e lâmina, separadas por uma junta de lâmina.

A bainha, como implica seu nome, cobre

completamente o talo, estendendo sobre pelo menos um entrenó completo.

(29)

Os materiais sólidos obtidos a partir da biomassa agrícola ou

industrializada possuem partículas de diferentes formas e tamanhos, com características físicas específicas

Encontra-se na forma polidispersa, formado por um conglomerado de

29

Encontra-se na forma polidispersa, formado por um conglomerado de partículas fisicamente diferentes.

Visando obter um aproveitamento mais eficiente de qualquer material sólido polidisperso, resulta de extrema importância conhecer as

(30)

Nos equipamentos onde se trabalham com partículas sólidas de biomassa polidispersa é necessário conhecer a aerodinâmica (ou a fluidodinâmica) do movimento das partículas e os fenômenos de arraste que podem influenciar nos resultados esperados.

Normalmente se avalia a velocidade terminal:

30

Normalmente se avalia a velocidade terminal: -das partículas do conglomerado

-de determinadas frações do conglomerado, -de uma partícula isolada.

(31)

Caracterização físico-química, energética e fluidodinâmica da fração palha ou de uma mistura de folha e palha

Caracterização fisico-química, energética e fluidodinâmica da fração palha ou de uma mistura de folha e palha

A caracterização morfológica apresentada para as diferentes frações dos RACs é acompanhada por análises de imagens de microscopia eletrônica de

varredura - MEV.

31

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PRINCÍPIOS DA MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)

A microscopia eletrônica de varredura é utilizada em várias áreas do conhecimento, incluindo a mineralogia.

O uso desta técnica vem se tornando mais freqüente por fornecer informações de detalhe, com aumentos de até 300.000 vezes.

32

A imagem eletrônica de varredura é formada pela incidência de um feixe de elétrons no mineral, sob condições de vácuo

(33)

A incidência do feixe de elétrons no sólido mineral promove a emissão

de elétrons secundários, retroespalhados, auger e absorvidos, assim como de raios X característicos e de catodoluminescência

33

(34)

34

http://pt.wikipedia.org/wiki/Microsc%C3%B 3pio_eletr%C3%B4nico_de_varredura

(35)

A imagem eletrônica de varredura representa em tons de cinza o

mapeamento e a contagem de elétrons secundários (SE – secondary

electrons) e retroespalhados (BSE – backscattering electrons) emitidos

pelo material analisado.

A imagem de SE fornece detalhes da superfície ionizada do mineral em tons de cinza. Os tons mais claros podem representar as faces do material

35 tons de cinza. Os tons mais claros podem representar as faces do material orientadas para o detector, bem como defeitos da metalização e bordas do sólido.

A resolução obtida em imagens de SE corresponde ao diâmetro do feixe de elétrons incidente e que pode variar de acordo com as especificações do equipamento utilizado na análise (de 8x a 300.000x)

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Os resíduos agrícolas da cana - RAC: palha, folha e palhada ou palhiço da cana-de-açúcar

A composição aproximada da cana-de-açúcar em seu estado natural na plantação é a seguinte:

Talo e folhas verdes: 8%

36

Talo e folhas verdes: 8% Bainha e folhas secas: 20% Colmo limpo: 72%

(37)

Palha seca da cana-de açúcar: as folhas secas e bainhas as quais são removidas dos talos ou colmos da cana durante a limpeza da mesma no período de crescimento,

visando ao fortalecimento da planta

Folha verde da cana-de-açúcar: folhas verdes localizadas, em maior concentração,

na parte superior das plantas, e somam 30 a 35 folhas em cada ponta.

Palhiço ou palhada da cana-de-açúcar: material recolhido no solo após a colheita mecanizada, onde se tem, em maior concentração,

37

se tem, em maior concentração, uma mistura de folhas e coração ou pontas (ponteiros) da cana.

Estima-se que a quantidade de palhiço remanescente no campo após a

colheita representa entre 10% e 30% da produção de colmos

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Composição química e morfológica da palha seca, folha verde e palhiço da cana-de-açúcar

A palha seca de cana-de-açúcar é constituída de bainha e folhas secas e tem uma estrutura particularmente diferente das folhas verdes contidas nas pontas.

38

A composição química da palha seca difere à das folhas, do palhiço e do bagaço, principalmente quanto aos teores de lignina e cinzas.

(39)

Composição química da palha de cana seca (bainha + folhas secas) e da folha verde.

39

A quantidade de sílica contida na palha seca é de 2 a 3 vezes maior que nas

folhas verdes.

A composição química da folha verde é muito similar à do bagaço (a diferença é que as folhas tem menos celulose).

(40)

Composição química da palha de cana seca (bainha + folhas secas) e da folha verde.

40

Esta sílica causa maior dureza e resistência mecânica nessas partes da planta.

Consequentemente, a quantidade de lignina é aproximadamente 60% menor que as encontradas para as folhas verdes.

(41)

Composição química da palha de cana seca (bainha + folhas secas) e da folha verde.

41

O palhiço apresenta composição muito similar à da folha verde (obs: material foi lavado para remoção da terra nele contida, oriunda do solo, onde foi recolhida essa Biomassa)

(42)

Composição morfológica das folhas

A figura à seguir mostra uma imagem de microscopia que considera três secções diferentes de uma mesma folha de cana-de-açúcar (folha no sentido genérico da palavra).

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Estômato ampliado

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Morfologicamente as

folhas verdes são similares às palhas secas, constituídas de limbo ou lâmina e bainha. professoraliviaribeiro.blogspot.com 50

As folhas verdes, geralmente estão localizadas nos nós, formando desse modo duas fileiras em lados opostos que se encontram aproximadamente no mesmo plano.

As folhas verdes consistem em duas partes: o limbo ou lâmina (a folha propriamente dita) e a bainha, separadas por uma articulação (dewlap, pescoço, triângulo de folha).

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Secção transversal do limbo ou lâmina de uma folha de cana-de-açúcar. 51 açúcar.

(52)

Algumas imagens de folhas verdes de cana-de-açucar

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54 *xilema : tecido das plantas vasculares por onde circula a água com sais minerais

(55)

55

(56)

Composição morfológica do palhiço ou palhada da cana-de-açúcar

As análises microscópicas mostraram que o material contém uma mistura de elementos tanto de talo quanto de folha, sendo muito heterogêneo

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CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA E ENERGÉTICA DA PALHA DA CANA-DE-AÇÚCAR

Algumas propriedades físico-químicas e energéticas relevantes para os RACs (particularmente designados pelo termo de palha de cana):

composição química elementar, imediata e poder calorífico

Entre essas se destacam as propriedades de importância em cálculos e

59 balanços térmicos e de materiais em sistemas termodinâmicos e

superfícies de troca térmica, assim como na modelagem e simulação de processos envolvendo fenômenos de conversão de biomassa, entre outros processos.

A composição física básica da palha de cana considera as fibras

lignocelulósicas, matéria inorgânica, principalmente cinza composicional e

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Por sua vez, a composição das cinzas da palha é muito variável,

dependendo de critérios e práticas agronômicas, tais como: a idade da cana, o tipo de solo, tipos e quantidades de adubos utilizados.

Também é influenciada por outros critérios técnicos relacionados com os

procedimentos de colheita e de limpeza da cana nos sistemas de limpeza a seco, sendo implantados nas usinas do Brasil.

O tecido vegetal da palha de cana apresenta os mesmos componentes

60

O tecido vegetal da palha de cana apresenta os mesmos componentes

químicos básicos que o bagaço de cana ou a madeira.

Entretanto, as propriedades físico-mecânicas, geométricas, térmicas, fluídodinâmicas e energéticas deles são diferentes.

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Estas propriedades e características são importantes na análise e cálculo de parâmetros de projeto e operação dos processos de: -Hidrólise -Combustão -Pirólise -Gaseificação 61 -Gaseificação

Elas influenciam variáveis, tais como: -Eficiência energética dos processos -Velocidade e temperatura de reação -Rendimento

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As análises aqui apresentadas foram feitas em resíduos agrícolas da cana obtidos nos sistemas de limpeza a sêco, aqueles em que a cana

colhida mecanicamente e de forma integral é fracionada de forma

pneumática

Assim separa-se o colmo mais pesado das frações mais leves

constituídas pela palha e pelas folhas ainda verdes ou úmidas

62

constituídas pela palha e pelas folhas ainda verdes ou úmidas

Podemos considerar a biomassa aproveitável para produzir energia como estando constituída apenas por essas frações mais leves.

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É a este tipo de composição física do material ao qual chamaremos de palha

sob efeitos da sua caracterização físico-química e energética, e aos efeitos do seu uso em sistemas de conversão.

Entre as principais propriedades físico-químicas e energéticas dos insumos combustíveis ou resíduos lignocelulósicos para fins energéticos, encontram-se a análise elementar, análise imediata e o poder calorífico.

63

A análise elementar fornece as frações em massa dos elementos atômicos constituintes do material analisado, eles são: carbono, oxigênio, hidrogênio e nitrogênio.

Outros constituintes analisados são: cloro, enxofre e cinzas. São usadas comumente as normas da ASTM E775, E777 e E778 específicas para madeira.

(64)

A análise imediata fornece as frações em massa de umidade, voláteis, cinzas e carbono fixo (por diferença). São usadas comumente as normas da ASTM E870 a E872 específicas para madeira.

O poder calorífico (PC) de um material orgânico qualquer é a quantidade de

calor liberado durante a sua combustão em condições ideais de queima em

64 calor liberado durante a sua combustão em condições ideais de queima em

(65)

Análise elementar de amostras de palha de cana reportadas por diferentes autores

(66)

Análise Imediata e poder calorífico de amostras de palha de cana reportadas por diferentes autores

66

***A diferença entre o superior (PCS) e o inferior (PCI) está no fato de considerar ou não o calor latente

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A tabela abaixo mostra dados que permitiriam fazer uma avaliação preliminar do

potencial energético da palha de cana, com base numa comparação com o

petróleo equivalente

Tabela: critérios para avaliação do potencial energético da palha de cana.

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Tabela: determinações experimentais de propriedades físico-químicas da palha

de cana e do bagaço de cana.

68

A palha de cana apresenta, comparada com o bagaço de cana apresenta: -teor de cinzas entre duas e quatro vezes maior

-menor teor de umidade

-maior relação entre o teor de componentes voláteis e de carbono fixo.

Esses parâmetros são, sem dúvidas, essenciais na avaliação do processo de combustão desses insumos biomássicos.

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Tabela: determinações experimentais de propriedades físico-químicas da palha de cana e do bagaço de cana.

69

Há na literatura em geral diferenças significativas entre os valores quantitativos dessas propriedades

Portanto é preciso ainda estudar as normas aplicadas para a determinação analítica dessas propriedades no caso dos produtos lignocelulósicos da cana-de-açúcar.

(70)

APLICAÇÕES TECNOLÓGICAS POTENCIAIS DA PALHA DE CANA

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