CAMPUS DE BOTUCATU
MODELOS MATEMÁTICOS APLICADOS A PROBLEMAS NA
CULTURA DA CANA-DE-AÇÚCAR E NO APROVEITAMENTO DA
ENERGIA DA BIOMASSA
ADRIANO DAWISON DE LIMA
Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP – Campus de Botucatu, para obtenção do título de Mestre em Agronomia (Energia na Agricultura).
BOTUCATU – SP Junho – 2006
CAMPUS DE BOTUCATU
MODELOS MATEMÁTICOS APLICADOS A PROBLEMAS NA
CULTURA DA CANA-DE-AÇÚCAR E NO APROVEITAMENTO DA
ENERGIA DA BIOMASSA
ADRIANO DAWISON DE LIMA
Orientadora: Profª. Drª. Helenice de Oliveira Florentino Silva
Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP – Campus de Botucatu, para obtenção do título de Mestre em Agronomia (Energia na Agricultura).
BOTUCATU – SP Junho – 2006
Dedico essa dissertação...
À minha esposa Renata Alves de Lima e meu filho Wesley Dawison de Lima, pelo amor e compreensão nas horas de dificuldades e por acreditar nos meus ideais.
Aos meus pais Ronan e Hilda, pelo amor que sempre demonstraram, pela educação que me passaram e pelo incentivo de buscar sempre algo novo para minha formação.
Aos meus irmãos Dawesley Ricardo e Júlio César, pelo constante estímulo.
Ofereço...
Agradecimentos...
Agradeço em primeiro lugar a Deus por toda ajuda e proteção dada a mim e a minha família.
A minha orientadora Profª. Drª. Helenice de Oliveira Florentino Silva, pela confiança, pela compreensão, pela amizade e apoio em todos os momentos.
Ao Prof. Dr Zacarias Xavier de Barros pelo apoio e por acreditar no meu trabalho.
A Secretária Lisabete do Departamento de Bioestatística do Instituto Biociências, pelo auxílio técnico.
Aos amigos da pós-graduação, que foram muitos, pela ajuda e incentivo para que este momento se tornasse uma realidade em minha carreira acadêmica.
Aos funcionários da Biblioteca Prof. Paulo de Carvalho Mattos, em especial à Denise Melo Nogueira de Assis, Solange Aparecida Paulossi Spadin, Nilson de Camargo, Ermete Nibi Neto e Maria Aparecida Martins Alho pela amizade e atenção dada em todos os momentos.
SUMÁRIO
Página
LISTA DE QUADROS ... VIII LISTA DE FIGURAS ...IX LISTA DE EQUAÇÕES ... X LISTA DE ABREVIATURAS...XII LISTA DE SÍMBOLOS ... XIII
1. RESUMO... ... 1
2. SUMMARY… ... 3
3. INTRODUÇÃO ... 5
4. REVISÃO DE LITERATURA ... 7
4.1. A Origem da Cana-de-Açúcar ...7
4.2. Perfil do setor sucroalcooleiro ...8
4.3. Cultura da cana-de-açúcar ...10 4.3.1. Escolha de variedades ...12 4.3.2. Solo ...13 4.3.3. Adubação ...14 4.3.4. Plantio ...14 4.3.5. Crescimento da raiz...16
4.3.6. Pragas e seu controle...16
4.3.7. Formação da cana-de-açúcar...17 4.3.8. Processo de maturação ...18 4.3.9. A colheita da cana-de-açúcar ...19 4.4. O palhiço da cana-de-açúcar...22 4.5. Transporte...25 4.6. Sub-produtos da cana-de-açúcar...26 4.7. O bagaço da cana...27
4.8. Co-geração de energia através da combustão do bagaço de cana ...27
4.9. Modelagem matemática...28
4.10.1. Produção da cana-de-açúcar...31
4.10.2. O desenvolvimento da cana-de-açúcar ...32
4.10.3. Deficiência hídrica para a cana-de-açúcar: coeficiente de cultivo (Kc)...33
4.10.4. Acúmulo de matéria seca ...34
4.10.5. Modelo de crescimento de índice de área foliar (IAF) de cana-de-açúcar ...35
4.10.6. Escolha de variedades de cana-de-açúcar para plantio ...35
4.10.7. Eficiência energética do palhiço da cana-de-açúcar ...40
4.10.8. Poder calorífico ...41
4.10.9. Número de pessoas que poderiam ser servidas com energia elétrica gerada a partir do palhiço...41
4.11. Otimização...42
5. MATERIAL E MÉTODOS... 46
5.1. Considerações iniciais ...46
5.2. Procedimento proposto para fazer o planejamento da produção da cana-de-açúcar...47
5.3. Método para resolução de um PLI...48
5.4. Materiais... ...50
6. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 51
7. CONCLUSÕES... 61
LISTA DE QUADROS
Página
Quadro 1. Valores médios de umidade, massa e poder calorífico útil (PCU) para as diversas
frações constituintes do palhiço...24
Quadro 2. Dados sobre produtividade do palhiço obtidos em diversas bibliografias...25
Quadro 3. Dados das variedades. ...52
Quadro 4. Outros dados necessários para aplicação dos modelos...52
Quadro 5. Dados dos talhões. ...53
Quadro 6. Resultados da aplicação do modelo multiobjetivo ((35) a (39)). ...54
Quadro 7. Resultados do modelo ((19) a (22)) para escolha da variedade que minimize a quantidade de resíduo. ...55
Quadro 8. Resultados do modelo ((23) a (27)) para escolha da variedade que minimize a quantidade de resíduo, com restrição sobre a energia residual...56
Quadro 9. Resultados do modelo ((28) a (32)) para escolha da variedade que maximize a quantidade de energia residual gerada...57
Quadro 10. Resultado do cálculo da estimativa do número de pessoas que poderão ser servidas com a energia da biomassa residual, obtido a partir do modelo (53). ...58
Quadro 11. Estimativas das temperaturas máximas e mínimas, temperatura base, fator f, número de dias do mês e estimativa de graus-dia para cada mês dos anos de 2007, 2008, 2009 e 2010. ...59
LISTA DE FIGURAS
Página
Figura 1. Produção de cana-de-açúcar no Brasil. (Fonte: DATAGRO, 2006)...8 Figura 2. Marcos históricos da produção de cana-de-açúcar para a fabricação de álcool.
(Fonte: PARRA, 2005). ...10 Figura 3. Ciclos da cana-de-açúcar e variações na temperatura e pluviosidade da região
Centro-Sul do Brasil. (Fonte: Castro, 1999). ...15 Figura 4. Períodos de desenvolvimento da cana-de-açúcar. (Fonte: Doorembos e Kassam,
1979). ...18 Figura 5. Índice de área foliar em função dos graus-dia acumulados. ...60
LISTA DE EQUAÇÕES Página ) 1 ( 1 m r y m r ET ET K Y Y ... ...31 3 3 2 2 1 1X a X a X a Y Y o ...31 ¸¸ ¹ · ¨¨ © § m r o Y Y Y 1 estimado;...31 ¸¸ ¹ · ¨¨ © § m r ET ET X1 1 do 1ºestágio de corte;... ...32 ¸¸ ¹ · ¨¨ © § m r ET ET X2 1 do 2º estágio de corte;... ...32 ¸¸ ¹ · ¨¨ © § m r ET ET X3 1 do 3º estágio de corte... ...32
»¼ º « ¬ ª u ¸¸ ¹ · ¨¨ © § u ¸¸ ¹ · ¨¨ © § u o c s a m r O P O P e e ET ET RA 5 2 5 2 67 , 2 62 , 198 81 , 59 91 , 132 .... ...32
º 2 25 2 2 n f T TM TM T TM GD m b u u dias do mês... ...33
º 2 25 2 2 n f T TM TM T TM T T GD m m b m ¸¸u u ¹ · ¨ ¨ © § ¸ ¹ · ¨ © § de dias do mês .. ...33 2 24 ¸¹ · ¨ © § N N f ... ...33 o m c ET ET K ... ...34 » ¼ º « ¬ ª ¸¸ ¹ · ¨¨ © § u u 1 1 Cr Cr MS Cr MS MST n n o ... ...34 t Cr i Cr r Cr 1 max u u ...34 x b Y u ... ...35 cx b e x a IAF u u ... ...35 Min i n i ix A
¦
1 ... ...36 Min i n i ix B¦
1 ... ...37i ij
j ij CECC CT L CC ... ...38 Bij ij ij EB ET BE ...39 Min » ¼ º « ¬ ª
¦¦
¦¦
n i k j ij n i k j ij BE CC 1 1 ij 1 1 ij;(-1) X X ...39 100 1 ¸u ¹ · ¨ © § PEP CC Ee ... ...40 ¸ ¹ · ¨ © § u u 100 9 600 h PCS PCI ... ...41 h E PCI PCU u »¼ º «¬ ª u 6 100 100 ...41 Cd Ef Qt Ac Pu Pd u u u u u 1314 D ... ...42LISTA DE ABREVIATURAS
Centímetro ... cm Dólar por hectare... US$.ha-1 Enxofre ... S Fósforo ... P Gás Carbônico... CO2 Graus centígrados ... ºC Magnésio ... Mg Mega Jaule por tonelada... MJ.kg-1 Mega Jaule por tonelada... MJ.t-1 Mega Pascal... MPa Metro ... m Milímetro ... mm Nitrogênio ... N Por ano... a-1 Potencial hidrogeniônico ... pH Potássio ... K Quilograma ... kg Quilograma por hectare ... kg.ha-1 Teor de sacarose ... pol Tonelada ... t Toneladas por hectare ... t.ha-1
LISTA DE SÍMBOLOS
Área colhida... Ac Área do talhão j... Lj Área em disponível para o plantio de cana-de-açúcar... bj Coeficiente angular considerando-se as variedades de cana-de-açúcar... b Coeficiente de cultivo... Kc Coeficiente de respiração de manutenção... Cr Comprimento do dia em horas... N Consumo equivalente de combustível... CC
Consumo médio diário de energia por pessoa... Cd Correção da r max em função da idade da planta... Cr(i) Correção da r max em função da temperatura... Cr(t) Custo de coleta do palhiço da cana de variedade i plantada no talhão j... CCij Eficiência do processo... Ef Eficiência energética... Ee
Energia contida no palhiço com umidade “U”... Pu Estimativa do teor de fibra da variedade i... Fi Evapotranspiração de referênica... ETo Evapotranspiração máxima... ETm Evapotranspiração real... ETr Fator de sensibilidade da cultura... Ky Índice de área foliar... IAC Índice que representa as variedades que fazem parte do sistema... i Matéria seca acumulada no fim do mês... MST Matéria seca existente no início do mês... MSo Média de produção de pol entre as variedades de cana pré-selecionadas... D Número de dias do mês... n Número de pessoas servidas de energia por ano... Pd
Parâmetros de ajuste... e, a, b, c Poder calorífico inferior... PCI Poder calorífico superior... PCS Poder calorífico útil... PCU Potencial energético do palhiço... PEP
Produção de pol em t.ha-1 para a variedade i...
i D Produção média de energia entre as variedades... E
Produtividade de colmos... Y Produtividade máxima... Ym Produtividade média de energia da variedade i... Bi Produtividade real... Yr Quantidade de palhiço a ser utilizado para produzir energia... D Quantidade de biomassa residual da variedade i... Ai Quantidade de fósforo à disposição da cultura... (P2O5)c Quantidade de fósforo preconizada pelo IAC... (P2O5)o Quantidade de palhiço no campo após a colheita... Qt Quantidade máxima estabelecida para o teor de fibra da variedade i... Fs
Quantidade mínima estabelecida para o teor de fibra da variedade i... FI
Quantidade mínima estabelecida para o teor de pol da cana... A Rendimento da agrícola... RA Respiração máxima... r max Somatório de graus-dias... x Temperatura base... Tb Temperatura máxima média mensal... TM Temperatura mínima média mensal... Tm Tensão de saturação do vapor de água no ar... es Tensão de saturação do vapor de água... ea Teor de hidrogênio do material... h Umidade do material com base em peso úmido... E Variável que determina a área a ser plantada a variedade i... xi
1. RESUMO
O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo. Essa cultura é primariamente produzida para obtenção de álcool e açúcar. O país fechou a temporada de 2005/2006 registrando recorde histórico, com uma produção de aproximadamente 436,8 milhões de toneladas, o que representa um aumento de 5,1% em relação à safra anterior, a extensão de terra cultivada com cana-de-açúcar no Brasil aumentou de 5,625 milhões de hectares, na safra 2004/2005, para 5,877 milhões de hectares, na safra 2005/2006. A confirmação dos preços do petróleo em patamares recordistas nos tempos atuais está contribuindo fortemente para aumentar a rentabilidade do setor sucroalcooleiro. Além disso, as vendas de carros bicombustíves têm superado as expectativas promovendo uma demanda crescente de álcool para os próximos anos. Neste contexto, a cana tornou-se uma das culturas mais importantes do país e muita atenção tem sido dada ao seu cultivo. Nessa cultura, é fundamental avaliar a renovabilidade e a sustentabilidade, visando aprimorar a matéria prima destinada ao setor, que inclui todo um sistema de produção, desde o preparo do solo, extração da matéria-prima até a sua utilização final. Devido às dimensões e complexidade, a cadeia produtiva de cana-de-açúcar se depara com diversos problemas no decorrer da sua cultura. Assim, todas as ferramentas para auxílio na resolução destes problemas têm sido aceitas e uma muito importante é a modelagem matemática. Este trabalho apresenta alguns problemas existentes na produção de cana-de-açúcar com destaque para os indicadores de eficiência de energia, desde o cultivo da cana-de-açúcar até à sua utilização final. Apresenta também um
levantamento de modelos matemáticos que podem auxiliar na resolução de tais problemas e obter estimativas para auxílio em tomadas de decisões dentro do setor sucroalcooleiro. É proposto o uso de modelos matemáticos para o planejamento da produção de cana-de-açúcar.
MATHEMATICAL MODELS APPIED TO PROBLEMS IN THE CULTURE OF
SUGAR-CANE AND IN THE UTILIZATION OF THE BIOMASS ENERGY. Botucatu, 2006. 83p.
Dissertação (Mestrado em Agronomia / Energia na Agricultura) – Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista.
Author: ADRIANO DAWISON DE LIMA
Adviser: Profª. Drª. HELENICE DE OLIVEIRA FLORENTINO SILVA
2. SUMMARY
Brazil is the greater sugar-cane producer of the world. This culture is primarily produced to obtain alcohol and sugar. The country closed the 2005/2006 season registering historical record, with a production of almost 436,8 million tons, that represent a increase of 5,1% in relation to previous harvest. The extension of cultivated land with sugar-cane in the Brazil increased of 5,625 million/ha at the 2004/2005 harvest to 5,877 million/ha at the 2005/2006 harvest. The confirmation of the oil prices currently is contributing intensely to increase the sugar and alcohol industry sector rentability. Moreover, the sales of flex-fuel cars have overcome the expectations promoting a growing demand of alcohol to the next years. In this context, the sugar-cane became one of the more important cultures of the country and very attention have been given to its culture. In this culture is important to evaluate the renew
sustainability, aiming to improve the raw destined to the sector including all the production system since the soil prepare, raw extraction until its final utilization. Due to the dimension and complexity, the sugar-cane productive chain comes across with several problems. Thus, all the tools for aid in the resolution of these problems have been accepted and one very important is the mathematical modeling. This work shows some problems existing in the sugar-cane production detaching the energy efficiency indicators since the sugar-cane culture until it is final utilization. Shows too a raising of mathematical models that can assist in the problems resolution and to obtain estimates to aid in taking of decisions inside of the sugar and alcohol industry. It is proposed the use of the mathematical models to planning of the sugar-cane production.
3. INTRODUÇÃO
O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo graças ao clima, disponibilidade de terras cultiváveis e, sobretudo, pela aceitação do açúcar e álcool nos mercados nacional e internacional. O aumento da produção deve-se, em grande parte, à criação de veículos bicombustíveis e a alta do petróleo, pois estes fizeram o álcool hidratado ganhar espaço no mercado, promovendo uma ampliação na produção de cana (CONAB, 2006; IBGE, 2005; ORTOLAN, 2004).
Está acontecendo, no setor sucroalcooleiro, a quebra do grande paradigma de só se focalizar nos açúcares da cana para a produção do açúcar e do álcool, ficando a fibra com a função de apenas prover a energia necessária ao processo produtivo da indústria; abrem-se, porém, grandes possibilidades de ganhos energéticos com a otimização da energia das usinas de açúcar/álcool, visando à maximização da geração de energia elétrica excedente. No cenário atual das grandes indústrias de açúcar e álcool, a metade das fibras da cana-de-açúcar é desperdiçada no campo, antes mesmo de chegar à unidade processadora, através da queima das folhas na pré-colheita para possibilitar o corte manual ou reduzir os custos da colheita mecanizada da cana; a outra metade, na forma de bagaço, é utilizada como combustível que irá fornecer toda a energia (térmica e eletromecânica) necessária ao processamento da cana para a fabricação do açúcar e álcool. Uma parte significativa dessas fibras pode ser disponibilizada na usina através da otimização energética do processo produtivo (sobra de bagaço) e da colheita de cana crua com recuperação de parte da palha
(folhas e ponteiros). Essa biomassa pode ser utilizada para produzir mais álcool, via hidrólise ou rotas de gaseificação, e/ou energia elétrica excedente, para ser injetada na rede; desta forma, o aproveitamento da energia primária da cana, que hoje é em torno de 25%, poderia ser aumentado para mais de 50%.
Isto mostra a grande importância que a cultura da cana-de-açúcar tem para a economia brasileira, tanto na geração de energia quanto na obtenção de outros produtos. Neste contexto, é fundamental avaliar a renovabilidade e a sustentabilidade da cana-de-açúcar, visando aprimorar a matéria prima destinada ao setor, desenvolvendo novas variedades, generalizando o conceito de ambiente de produção, onde o uso das variedades é definido baseado no tipo de solo/clima da área onde serão plantadas, o qual inclui o preparo do solo e a extração da matéria-prima até a sua utilização final. Mas, com as dimensões que atingiram esse setor, essa cultura se tornou muito complexa e, hoje, a cadeia produtiva da cana-de-açúcar se depara com diversos problemas no decorrer da sua cultura, os quais, se forem devidamente sanados, torna a sua adesão bastante atrativa para o agricultor. Assim, todas as ferramentas para auxílio na resolução desses problemas têm sido aceitas e uma muito importante é a modelagem matemática.
Os objetivos deste trabalho foram: descrever os principais problemas existentes no cultivo da cana-de-açúcar que podem afetar na qualidade e quantidade dos produtos do setor sucroalcooleiro, com destaque para a energia; fazer um levantamento de modelos matemáticos que podem auxiliar na resolução de tais problemas, obter estimativas para auxílio em tomadas de decisões dentro do setor sucroalcooleiro e propor o uso de modelos matemáticos como uma forma de planejamento da produção da cana-de-açúcar.
4. REVISÃO DE LITERATURA
4.1. A Origem da Cana-de-Açúcar
A cana-de-açúcar (Saccharum spp.) é um vegetal da família das
gramíneas que é cultivada desde a antiguidade (LEÃO, 2002). Segundo Doorembos e Kassan (1979), esta cultura é originária da Ásia e parece ter sido conhecida pelo homem há cerca de três mil anos. Arbex (2002) faz uma excelente revisão da trajetória da cultura da cana-de-açúcar até sua entrada no Brasil. Um dos propósitos para a descoberta de novas terras, na época das Grandes Navegações, era a falta de áreas cultiváveis na Europa em que pudessem prosperar espécies de plantas como a cana-de-açúcar, cujo produto, o açúcar, era escasso e caro no Velho Continente. Portugal plantava cana nas ilhas de Cabo Verde, Açores e Madeira, mas ainda assim eram poucas as terras apropriadas para a cultura. Com a Descoberta do Brasil, a cana-de-açúcar foi trazida para a América, as primeiras mudas chegaram em 1526 na expedição de Martim Afonso de Souza, e aqui a planta espalhou-se no solo fértil, com a ajuda do clima tropical quente e úmido e da mão-de-obra escrava trazida da África. O Brasil ainda colônia, enriqueceu Portugal e espalhou o açúcar brasileiro por toda a Europa. Isto confirma a informação de Nascimento (1999) de que a cana-de-açúcar ocupa papel importante no panorama agrário desde o período Brasil colônia, podendo gerar vários produtos, como exemplo a cachaça, álcool, açúcar, etc. Segundo Dias (1997), a partir de 1974 o Brasil investiu na modernização da infra-estrutura industrial, com implantação de equipamentos em várias
destilarias anexas às usinas, criando condições para que o país passasse a produzir álcool como combustível e isto o tornou o maior produtor mundial de cana-de-açúcar.
Portanto, é tradição a produção de cana-de-açúcar no Brasil, devido à farta extensão de terras, a variados tipos de solos e a influência do clima diferenciado nas regiões, o que promove diferentes tipos de ambientes para o cultivo da cana.
4.2. Perfil do setor sucroalcooleiro
Atualmente, existem no Brasil 350 indústrias de açúcar e álcool que geram 1.000.000 empregos diretos e 300.000 indiretos (BANCO..., 2006). Esse país é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, possuindo o maior potencial e expansão de área plantada, sendo mais cultivada nas regiões tropicais e subtropicais (CUNHA et al., 2001; IBGE, 2005; UNICA, 2005).
Figura 1. Produção de cana-de-açúcar no Brasil. (Fonte: DATAGRO, 2006).
A extensão de terra cultivada com cana-de-açúcar no Brasil aumentou de 5,625 milhões de hectares, na safra 2004/2005, para 5,877 milhões de hectares, na safra 2005/2006, a área plantada cresceu 4,29% e a produção aumentou 9,61%, veja figura 1. Dados divulgados pela CONAB (2006), apontam que o volume nacional de cana-de-açúcar referente
149 263 303 350 390 437 0 100 200 300 400 500 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Ano Milhões de toneladas de cana-de-açúcar
à safra 2005/2006 registrou recorde histórico, com a produção de 436,8 milhões de toneladas, o que representa um aumento de 9,61% em relação à safra anterior. Do total colhido, 394,4 milhões de toneladas destinaram-se à indústria sucroalcooleira, sendo 216 milhões de toneladas para a fabricação de açúcar e 178,4 milhões de toneladas para a produção de álcool anidro (usado na mistura na gasolina), hidratado (direto no tanque) e comum. O restante, 42,4 milhões de toneladas, foi utilizado na fabricação de cachaça, rapadura, açúcar mascavo, ração animal e sementes para novos plantios. Este aumento de produção se deve, em grande parte, à criação de veículos bicombustíveis e à alta do petróleo, pois esses fatos fizeram o álcool hidratado ganhar espaço no mercado, promovendo uma ampliação gradativa na produção de cana nos últimos anos e com perspectivas de aumento para os próximos anos (IBGE, 2006; ORTOLAN, 2004).
Nos últimos anos, o crescimento na produção de cana-de-açúcar no Brasil vem ocorrendo devido a vários fatos históricos e econômicos, como pode ser visto na figura 2. Os números mostrados para a produção atual de cana, são explicados pela crescente produção nacional de carros bicombustíveis e pelo aumento da venda ao mercado externo, (ANFAVEA, 2004).
O rápido crescimento dessa cultura fez com que os processos de escolha de variedades, plantio, colheita, transporte, produção industrial e muitos outros ligados a indústria sucroalcooleira, tomassem grandes dimensões e com isto alguns problemas apareceram, como exemplos problemas ambientais com a queima do palhiço para colheita manual, com o destino do resíduo da colheita mecanizada, quantidade de água residuária proveniente da lavagem da cana, alto custo para co-geração de energia utilizando os resíduos de campo e muitos outros. Desta forma, este setor necessita lançar mão de todas ferramentas possíveis para auxiliá-lo em todas as fases de produção, desde do preparo do solo até o aproveitamento da biomassa residual. Uma ferramenta bastante promissora para auxílio nas tomadas de decisões tem sido a modelagem matemática. Assim, este trabalho procura fazer um levantamento de modelos matemáticos que podem auxiliar em algumas fases do processo de produção da cana, principalmente aqueles ligados à produção da energia a ser usada na própria produção da usina.
91 149 350 303 263 1975 1980 1990 1995 2003 383 440
BRASIL
(1 .0 00 .0 00 t ) produção de cana-de-açúcar e marcos históricos PROÁLCOOL Carros a Álcool Início da desregulamentação do setor Fim da regula-mentação no setor 1999 Carros FLEX Exportações de álcool carburante 2004 2005Figura 2. Marcos históricos da produção de cana-de-açúcar para a fabricação de álcool.
(Fonte: PARRA, 2005).
No que segue, serão apresentadas as principais fases dos processos ligados ao setor sucroalcooleiro.
4.3. Cultura da cana-de-açúcar
A produção de cana-de-açúcar (Saccharum ssp.) é influenciada por um
grande número de variáveis. Algumas dessas não são passíveis de manejo, por exemplo a temperatura, enquanto outras, como o solo e a disponibilidade de água, podem ser manipuladas para admitir o melhor desempenho da cultura. A temperatura do ar exerce grande influência no crescimento dos colmos (CASAGRANDE; DIAS, 1999). A cultura procedente da cana-planta, por via de regra, vem seguida de duas a quatro culturas de rebrota (cana-soca), podendo, em certos casos, ultrapassar os oito ciclos. No início, o crescimento é lento, aumentando gradualmente até atingir uma taxa máxima de crescimento, após a qual diminui à medida em que a cana começa a amadurecer devido ao frio e/ou seca, ou mesmo devido à floração (DOOREMBOS; KASSAM, 1979).
Vários trabalhos têm sido conduzidos para estudar o melhoramento do desempenho da cultura de cana-de-açúcar e demonstrar a influência do clima na sua produtividade, envolvendo principalmente temperatura e disponibilidade de água (DIAS et al., 1999; MATIOLI, 1998; OMETTO, 1974; OMETTO, 1980; ROJAS; BARBIERI, 1999; SCARPARI, 2002; THOMPSON, 1976). Determinadas áreas possuem clima ideal sem nenhuma restrição, sendo que outras proporcionam restrições térmicas e/ou hídricas moderadas, que admitem a produção econômica da cultura sem exigir recursos e técnicas especiais. Mas, existem restrições que são limitantes, onde apenas a produção das variedades selecionadas e o emprego de novos recursos, certificam a correção das carências hídricas ou técnicas culturais adequadas que venham prever os efeitos do frio promovendo uma lavoura canavieira mais econômica, (BARBIERE; VILLA NOVA, 1977).
Vários autores obtiveram a comprovação, no que se refere ao ótimo de desenvolvimento da cultura de cana-de-açúcar e relataram que a temperatura é provavelmente a variável de maior importância. Fundamental para o seu desenvolvimento, a temperatura basal é em torno de 20 ºC; porém, abaixo desta, a taxa de crescimento diminui. Para eles, a temperatura ótima encontra-se entre um mínimo de 22 ºC e no máximo 30 ºC. Nestas condições a cultura apresenta seu ponto máximo de crescimento. Superior a 38 ºC não há crescimento, sendo assim, nas regiões muito quentes e úmidas há um ativo desenvolvimento vegetativo, em prejuízo da maturação que se retarda, dando colmos pouco ricos em sacarose. Em regiões onde acontecem geadas, a cana-de-açúcar não deve ser cultivada para a produção de açúcar, mas somente para produção de forragens e fabricações de melaço, pois a baixa temperatura colabora com a formação de grandes quantidades de açúcares invertidos. No caso de acontecerem geadas fortes, os colmos têm que ser colhidos, pois o sistema radicular permanecerá vivo e na estação seguinte ocorrerá a brotação. Ventos secos e fortes são favoráveis ao ressecamento do solo e da planta. Um fato climático muito importante para o cultivo da cana-de-açúcar é a luminosidade, pois sendo os açúcares resultantes da fotossíntese, a presença da luz se faz necessária para a completa realização do processo. Ela é importante também porque atua no processo de maturação através da translocação dos hidratos de carbono das folhas para o colmo. (BARBIERI; VILLA NOVA, 1977; DOOREMBOS; KASSAN, 1979; MAGALHÃES, 1987).
A disponibilidade de água para a planta é outro fator climático causador de variabilidade, ano a ano, da sua produtividade. Entretanto, em função das variações locais de clima e de variedades, é difícil estabelecer uma relação entre produção e consumo de água. Escardua e Rosenfeld (1987) afirmam que esse consumo varia também em função do estádio fenológico, do ciclo da cultura (cana planta ou cana soca), das condições climáticas, da água disponível no solo, dentre outros.
Desta forma, existem muitas variedades de cana que são modificadas para se adaptarem a diversos tipos de clima e solos, e o correto manejo desta cultura começa pela escolha certa das variedades a serem plantadas.
4.3.1. Escolha de variedades
As variedades são identificadas pelas iniciais da estação experimental ou do local onde são conduzidas as pesquisas para suas aquisições, seguidas de números, dos quais os dois primeiros identificam o ano em que as variedades e/ou clones foram produzidos, seqüenciados pelos números de registro do órgão responsável pela sua origem. Os números que identificam o ano de cultivo das variedades são separados designadamente com palavras as quais ficam normalmente conhecidas pelos produtores.
Para escolha das variedades para plantio, devem se levar em consideração as diferentes características existentes para a região, não elegendo aleatoriamente a variedade a ser plantada.
A escolha das variedades a serem plantadas não é tarefa fácil, mas pode ser auxiliada por ferramentas matemáticas como as apresentadas por Sartori e Florentino (2002), que propuseram modelos de otimização para a escolha da variedade de cana-de-açúcar a ser cultivada de forma a minimizar a quantidade de resíduo no campo, maximizar a energia desse resíduo; propuseram, também, um critério para a escolha de modelos matemáticos a serem utilizados para obtenção de estimativas na cultura de cana-de-açúcar.
4.3.2. Solo
No Brasil, o cultivo da cana-de-açúcar é feito sobre os mais diferentes tipos de solo, desde solos de textura arenosa a muito argilosos e, em solos com altos teores de matéria orgânica. A cultura é bem tolerante à acidez e à alcalinidade, desenvolvendo-se em solo com pH desde 4,0 até 8,3; porém, o pH ideal é de 6,5. Os solos ideais para a cultura de cana são os aluviões planos ou levemente inclinados. As grandes indústrias canavieiras se encontram de preferência instaladas em regiões de solos fortes, humosos e de grande profundidade.
O conhecimento da capacidade produtiva dos solos é um dos principais fatores de sucesso do empreendimento agrícola. Portanto o conhecimento das características inerentes de cada solo, os chamados fatores edáficos, é importante para julgar o seu potencial de produção agrícola. O exame do terreno é também reconhecido como principal método de avaliação do potencial de fertilidade do solo; esta é uma das mais tradicionais formas de estimar a sua capacidade produtiva, (BITTENCOURT et al., 1989; BITTENCOURT et al., 1990; LEPSCH, 1987; LOPES, 1998; MALAVOLTA, 1982; ORLANDO FILHO; MACEDO; TOKESHI, 1994; RAIJ et al., 1985).
Cada solo apresenta um potencial de produção agrícola para cana-de-açúcar que, somado às características da paisagem na qual estão inseridos, podem compor ambientes com potenciais diferenciados para a produção dessa cultura.
A cana-de-açúcar apresenta uma grande adaptabilidade, podendo ser cultivada tanto em solos arenosos, que apresentam como limitações a baixa capacidade de armazenamento de água e alta taxa de perda de nutrientes por lixiviação, até em solos argilosos que podem apresentar uma drenagem mais lenta, propiciando menor aeração da zona radicular, e também alta suscetibilidade à compactação, que é limitante a penetração das raízes (KOFLER; DONZELI, 1987). Entretanto, cada solo apresentará vantagens e limitações inerentes a sua classificação, que devem ser consideradas quando utilizados para cana-de-açúcar. Pennati (1991), do mesmo modo, notou que a potencialidade do processo produtivo é diferente entre os solos de textura arenosa, média e argilosa, sendo que os solos argilosos possuem maior potencial. A incorporação de raiz durante o período de crescimento também pode constituir um significante acréscimo de material orgânico ao solo e determina o volume efetivo de solo explorado pelas raízes (BALL-COELHO et al., 1992).
4.3.3. Adubação
Para a cana-de-açúcar, há a necessidade de considerar duas situações distintas, adubação para cana-planta e para soqueiras, sendo que, em ambas, a quantificação será determinada pela análise do solo. Para cana-planta, o fertilizante deverá ser aplicado no fundo do sulco de plantio, após a sua abertura, ou por meio de adubadeiras conjugadas aos sulcadores em operação dupla, a adubação deve ser de maneira correta, pois, ela altera com o tipo de solo, se arenoso ou argiloso, assim como o seu grau de fertilidade, tendo como os nutrientes básicos (macronutrientes primários) o nitrogênio, o fósforo e o potássio.
Para Coelho e Verlengia (1973), até o quinto mês de idade, a absorção de nutrientes pela cana-de-açúcar é pequena, aumentando intensamente daí em diante, chegando ao nono mês contendo 50% de potássio, cálcio e magnésio e um pouco mais de 30% de nitrogênio, fósforo e enxofre do total que absorve durante o ciclo vegetativo; do nono ao décimo segundo mês, a absorção de nitrogênio é ainda mais intensa, acumulando 90% do total extraído pela planta; o fósforo é absorvido durante todo o ciclo da planta. Esse autor também mostra que 100 toneladas de colmos frescos extraem 132 kg de nitrogênio, 17,4 kg de fósforo, 133,4 kg de potássio, 19,0 kg de cálcio, 31,3 kg de magnésio, 12,2 kg de enxofre, 0,003 kg de ferro, 0,002 kg de manganês, 0,002 kg de molibdênio e 0,486 kg de zinco.
4.3.4. Plantio
Existem duas épocas de plantio para a região Centro-Sul, de “setembro a outubro” e “janeiro a março”. De setembro a outubro é conhecido como plantio de cana de ano e não é a época mais recomendada, sendo indicada em casos de necessidade urgente de matéria prima, quer por recente instalação ou ampliação do setor industrial, quer por comprometimento de safra devido à ocorrência de adversidade climática. Plantios efetuados nessa época propiciam menor produtividade agrícola e expõem a lavoura à maior incidência de ervas daninhas, pragas, assoreamento dos sulcos e retardam a próxima colheita.
O plantio da cana de "ano e meio" é realizado de janeiro a março, é o mais recomendado tecnicamente. Além de não apresentar os inconvenientes da outra época,
permite um melhor aproveitamento do terreno com plantio de outras culturas. Em regiões quentes, como o oeste do Estado de São Paulo, essa época pode ser estendida para os meses subseqüentes, desde que haja umidade suficiente.
Na “cana de ano” o ponto culminante de desenvolvimento é de novembro a abril, logo após decresce por causa dos fatores ligados à temperatura e ao clima. A “cana de ano e meio” possui um percentual de crescimento limitado de maio a setembro em função da temperatura e do clima, aumentando o período de desenvolvimento de outubro a abril, veja figura 3, (CASTRO, 1999).
As áreas de plantio da cana-de-açúcar são divididas em talhões, zonas e setores. O espaçamento entre os sulcos de plantio é feito de acordo com o tipo de sistema de colheita que será realizado, em colheita mecanizada sem queima prévia, o espaçamento médio de plantio é de 1,40 m, sua profundidade de 20 a 25 cm e a largura é proporcionada pela abertura das asas do sulcador num ângulo de 45º, com pequenas variações para mais ou para menos, dependendo da textura do solo.
Figura 3. Ciclos da cana-de-açúcar e variações na temperatura e pluviosidade da região Centro-Sul do Brasil. (Fonte: Castro, 1999).
4.3.5. Crescimento da raiz
Em cana-de-açúcar as raízes desenvolvem-se logo depois do plantio, a partir das reservas do tolete. O sistema radicular cresce até atingir o valor máximo no florescimento, esse valor é encontrado na pesquisa realizada por Alvarez, Castro e Nogueira (2000). Blackburn (1984) enfatiza que, no princípio do desenvolvimento radicular, formam-se as raízes de fixação que suprirão os rebentos que brotarão das gemas.
Segundo Sampaio, Salcedo e Cavalcanti (1987), o sistema radicular de cana-de-açúcar é muito importante, pois, é fundamental para a regeneração das soqueiras após a colheita. No ato da brotação das socas, um novo sistema radicular é constituído e raízes vivas são essenciais para nutrir os rebentos na etapa inicial de desenvolvimento. As raízes de cana-soca estão sujeitas a condições mais adversas do solo, ocasionado pelo grande fluxo de tráfego. Devido ao ciclo mais curto e a brotação do tolete ocorrer próximo à superfície do solo, faz com que as raízes da soca fiquem mais superficiais. Quanto mais aumentar o número de cortes, maior será a probabilidade do sistema radicular das socas estarem aparecendo superficialmente. Em contra partida, no final do ciclo da cana-planta, as raízes mais novas serão superficiais, pois ao longo do seu desenvolvimento radicular, as ramificações secundárias ocorrerão após o crescimento em alongamento, nos nós situados mais acima do rebento (CASAGRANDE, 1991).
4.3.6. Pragas e seu controle
A cana-de-açúcar é atacada por cerca de 80 pragas, porém, pequeno número causa prejuízos à cultura. Dependendo da espécie da praga presente no local, bem como do nível populacional dessa espécie, as pragas de solo podem provocar importantes prejuízos à cana-de-açúcar, com reduções significativas nas produtividades agrícola e industrial. A eliminação da prática da queima dos canaviais antes da colheita, tem provocado alterações nas populações de insetos, em função das mudanças no agroecossistema (ARRIGONI, 1999). Pragas até então secundárias ou de pequena importância econômica têm-se tornado relevantes para a cultura. O exemplo mais notório é o das cigarrinhas das raízes,
somente em algumas regiões do Nordeste, especialmente Sergipe e Bahia, com danos significativos em algumas plantações (MENDONÇA; BARBOSA; MARQUES, 1996). No Estado de São Paulo, sua importância vem aumentando gradativamente, especialmente em locais de temperatura elevada, visto que as condições de alta umidade proporcionadas pela abundante cobertura vegetal deixada no solo, em função da colheita de cana sem queimar, são bastante favoráveis às cigarrinhas. Além disso, a despalha da cana com fogo, antes da colheita, contribuía para a destruição significativa de todas as formas biológicas da praga, especialmente dos ovos em diapausa (BALBO JR.; MOSSIM, 1999; DINARDO-MIRANDA, 1999).
4.3.7. Formação da cana-de-açúcar
Segundo Doorenbos e Kassan (1979), o sistema radicular da cana-de-açúcar atinge até 5 m de profundidade, mas em áreas irrigadas 100 % da água é extraída de 1,2 a 2,0 m de profundidade, no máximo, a distribuição do sistema radicular apresenta aproximadamente 50% (em peso) de raízes nos primeiros 20 cm de profundidade e 85% até os 60 cm de profundidade do solo (BLACKBURN, 1984). Sampaio, Salcedo e Cavalcanti (1987) constataram que 75% das raízes encontravam-se nos primeiros 20 cm de profundidade do solo e que 55% delas estavam concentradas num raio de 30 cm da touceira. O sistema radicular cresce até atingir o valor máximo no florescimento, esse valor é encontrado na pesquisa realizada por Chang (1968).
A folha da cana-de-açúcar, depois de desenvolvida, consiste de uma lâmina e uma bainha envolvendo o colmo, distribuindo-se de forma alternada e oposta
(BLACKBURN, 1984). A densidade de área foliar que cobre um terreno é medida em m2 de
folha por m2 de terreno e é denominado de índice de área foliar, IAF, (WATSON, 1974). Para
Chang (1968) o índice de área foliar ótimo varia entre 9 e 12 m2 de folhas por m2 de terreno.
Keating et al. (1999), Machado (1981), Robertson et al. (1999); San José e Medina (1970) e
Yoon (1971), encontraram valores máximos de IAF de 7,60; 5,00; 3,70; 4,11 e 7,00 m2/m2,
respectivamente. O colmo é cilíndrico, ereto, fibroso e constituído de nós e internódios; a altura varia de 1,0 a 5,0 m; e o diâmetro pode variar desde menos de 1,0 cm até 5,0 cm. O
colmo é o fruto agrícola da cana-de-açúcar em cujos vacúolos das células a sacarose se acumula no período de maturação (TAUPIER; RODRIGUES, 1999).
Segundo Kuyper (citado por DOORENBOS; KASSAN, 1979) os períodos de desenvolvimento da cana-de-açúcar são estabelecidos em quatro fases de crescimento, período vegetativo, formação da colheita e maturação, veja figura 4.
No Brasil, segundo Scardua e Rosenfeld (1987), o ciclo da cultura é de 12 a 18 meses e no Nordeste do Brasil é de 12 a 14 meses.
Figura 4. Períodos de desenvolvimento da cana-de-açúcar. (Fonte: Doorembos e Kassam, 1979).
4.3.8. Processo de maturação
Durante os meses iniciais de crescimento e desenvolvimento da cana, os processos de armazenamento de açúcar operam em tecidos imaturos e nos colmos com pequeno número de nós com internódios completamente desenvolvidos perto da base do talo. Nessa fase, o crescimento é a preocupação primária da planta. Na planta, foi criado previamente um potencial para acúmulo de açúcar no tecido de armazenamento já formado. O estabelecimento desse potencial é descrito comumente como processo de maturação
(ALEXANDER, 1973). A maturação ocorre da base para o ápice do colmo, de acordo com Barbiere e Villa Nova (1977), para a maturação e colheita é necessária a diminuição da temperatura para a faixa de 10 ºC a 20 ºC na região Centro-Sul ou a redução pluviométrica na região Norte-Nordeste, ocorrendo então a diminuição da taxa de crescimento e maior acúmulo de sacarose.
4.3.9. A colheita da cana-de-açúcar
A colheita da cana inicia-se em maio e em algumas unidades sucroalcooleiras em abril, prolongando-se até novembro, período em que a planta atinge o ponto de maturação, devendo, sempre que possível, antecipar o fim da safra, por ser um período bastante chuvoso, que dificulta o transporte de matéria prima e faz cair o rendimento industrial.
O sistema de colheita é composto por três sub-sistemas: sub-sistema de corte e carregamento, sub-sistema de transporte e sub-sistema de recepção. Os sub-sistemas estabelecem fluxos de matéria-prima do campo à indústria (RIPOLI; PARANHOS, 1987).
Mais de 80% da cana é colhida manualmente, o corte é precedido da queima da palha da planta, o que torna o trabalho mais seguro e rentável para o trabalhador. Os rendimentos máximos obtidos para as diversas modalidades resultaram em 12,5 toneladas/homem/dia para a colheita manual queimada; 6,5 toneladas/homem/dia para colheita manual não queimada; 48 toneladas/hora/máquina para colheita queimada e mecanizada e 40 toneladas/hora/máquina para colheita de cana crua mecanizada. O desenvolvimento da atividade canavieira foi incidindo gradualmente nas áreas de grandes atividades sociais e econômicas, causando variadas críticas exteriores, como por exemplo, nas operações de colheita envolvendo a queima prévia do canavial, com danos ao meio ambiente e a população, sendo esses os principais motivos para a promulgação de uma lei, (Lei Nº 11.241 de 19/09/2002), que restringe a queima como prática auxiliar na operação de colheita, (BUZOLIM, 1997; NERY, 2000). O processo de mudança do corte manual para a colheita mecanizada fica complexo na ótica da exclusão social pela mão-de-obra do trabalhador rural, sendo necessários novos investimentos neste setor, para arranjar esses trabalhadores em treinamentos especializados a serem aproveitados no processo de produção da indústria.
No Estado de São Paulo, 25% da área plantada está sendo colhida por máquinas, a legislação paulista estipula prazos para que o fogo deixe de ser usado no manejo da cana. A evolução tecnológica é portanto gradativa, exigindo o desenvolvimento de políticas realistas de reciclagem e reaproveitamento de mão-de-obra e o monitoramento de impactos. No sistema de colheita mecanizada da cana-de-açúcar sem a queima obtêm-se grande quantidade de folhas, bainhas, ponteiro, além de quantidade variável de pedaços de colmo, que são cortados, triturados e lançados sobre a superfície do solo, formando uma cobertura de resíduo vegetal, denominada palhiço ou palhada. Em regiões canavieiras do Brasil e do mundo, onde a precipitação pluvial é pequena ou irregular, a presença do palhiço sobre o solo também tem colaborado para aumentar a produtividade da cana-de-açúcar, principalmente por aumentar a penetração da água no solo e diminuir a evaporação edáfica (BALL-COELHO et al., 1992). Por outro lado, a presença da palhada na superfície do solo impede a penetração do fertilizante, se esse for sobreposto na palhada.
A quantidade de palhiço de canaviais colhidos sem queima varia de 10 a 30 t.ha-1 de matéria seca e nesse material o nitrogênio oscila de 40 a 80 kg ha-1 (TRIVELIN et al., 1996). As produtividades médias de cana-de-açúcar no Brasil, compreendendo folhas secas e ponteiros, têm oscilado em torno de 80 toneladas de matéria natural por hectare, mas adotando-se o manejo apropriado de calagem e de adubação, podem-adotando-se alcançar produtividades superiores a 150 toneladas de matéria natural por hectare (OLIVEIRA et al., 2001). Nos últimos anos, nas diferentes regiões do Centro-Sul brasileiro existe um grande aumento das áreas para a cultura de cana-de-açúcar onde não mais se pratica a colheita com a queima prévia da palhada que traz como conseqüência um volumoso acúmulo dessa biomassa residual no campo (ALVAREZ, 1998; OLIVEIRA et al., 1999).
Deste modo, o destino do material remanescente da colheita sem queima prévia tem sido objeto de muitos estudos. Os benefícios acarretados pelo seu recolhimento, recuperação e o emprego dessa biomassa, para adubação ou para a combustão em caldeiras, têm mobilizado pesquisadores de universidades, gerentes e diretores do setor sucroalcooleiro, que estão interessados em encontrar a maneira mais produtiva, econômica e eficaz de fazer essas operações. Vários autores confrontam as vantagens e desvantagens da colheita da cana crua e cana queimada.
Algumas vantagens da colheita da cana crua são citadas: a manutenção da umidade do solo; controle da erosão, com proteção do solo contra o impacto das gotas de chuva; aumento da matéria orgânica no solo, enriquecendo-o; possibilidade de melhor aproveitamento dos restos da cana-de-açúcar, do ponto de vista energético; melhoria da qualidade da matéria-prima entregue para industrialização; redução da poluição atmosférica provocada pela queima da palha da cana-de-açúcar, etc.
As principais desvantagens obtidas com a colheita de cana crua: o aumento da incidência de animais peçonhentos (cobra, aranha, etc) e acidentes de trabalho; dificuldade de mão-de-obra disponível para adoção da técnica e resistência do próprio cortador em executá-la; menor rendimento do corte, tanto manual como mecanizado, implicando em menor ganho do trabalhador e maiores custos para o produtor; o aumento das impurezas vegetais e minerais da matéria-prima; a tendência em se cortar a cana em um nível mais elevado, provocando perdas de matéria-prima e prejudicando a brotação da soqueira; maior foco de infestação para alojamento de pragas; aumento na necessidade de transporte da cana pela empresa; aumento do teor de fibras e conseqüente redução na extração de caldo pelas moendas; diminuição da velocidade de trabalho das colhedeiras, em relação à cana queimada, com maior consumo operacional e custo final. (DELGADO, 1985; FURLANI NETO, 1994; RIPOLI, 2002).
Vários pesquisadores têm-se empenhado no estudo de otimização do setor de mecanização, onde, a otimização da colheita depende de transformações no planejamento da lavoura como um todo e de suas interfaces com o transporte e recepção da matéria-prima na unidade processadora. Há a necessidade de se fazerem adaptações e alterações no que é rotulado de sistematização dos talhões e que são: alteração no comprimento dos talhões, os quais tem, no sistema manual, comprimento de 200 a 300 m e que precisam ser modificados para 400 m ou mais para aumentar o rendimento das colhedoras, ocasionado pela redução das manobras de cabeceira e estabilização da velocidade média; alterações na forma de se fazer as linhas dos sulcos, que devem seguir paralelas às curvas de nível, evitando-se a presença dos “bicos”, sulcos que vão diminuindo de tamanho e que implicam em aumento de manobras da colhedora e do veículo de carga sobre o talhão; sistematização dos terrenos, que consiste em nivelar o terreno antes do plantio para evitar as micro-ondulações que impedem uma melhor evolução da velocidade média da colhedora e prejudicam o corte basal correto dos colmos; alteração e diminuição do desnível entre o
carreador e o talhão, para evitar que as linhas de cana próximas ao carreador tenham que ser cortadas manualmente, (FURLANI NETO, 1994).
Furlani Neto et al. (1996) determinaram uma diferença na capacidade efetiva do corte em cana queimada, relativamente ao corte de cana crua, e qualidade tecnológica do brix caldo, da pol caldo e da fibra significativamente superior para a cana crua. Esses resultados refletem as alterações técnicas no sistema de limpeza das colhedoras e os avanços tecnológicos incorporados nas colhedoras atuais, enquanto que as diferenças de capacidade estão relacionadas fortemente às características varietais (maior ou menor quantidade de folhas).
4.4. O palhiço da cana-de-açúcar
O palhiço é o resíduo gerado pelo sistema de colheita mecanizada da cana-de-açúcar sem a queima, obtido em grande quantidade de folhas, bainhas, ponteiro, além de quantidade variável de pedaços de colmo, que são cortados, triturados e lançados sobre a superfície do solo, formando uma cobertura de resíduo vegetal. Carvalho et al. (1996) pesquisaram as conseqüências causadas por restos culturais da colheita, com e sem queima prévia, na rebrota e na produtividade de soqueiras de cana-de-açúcar e chegaram a conclusão de que no palhiço inteiro, resultante do corte de cana crua, ocorreu redução da rebrota inicial nas variedades SP70-1143 e RB72454, porém não afetou o número de colmos finais.
Abramo Filho et al. (1993) estudaram a biomassa da colheita mecanizada de cana crua e depararam com uma camada de 8 a 10 cm de palhiço fazendo com que a temperatura do solo fosse 5 ºC mais baixa que a ambiente. Os autores comentam que as quantidades físicas de resíduos resultantes da colheita da cana dependem de uma série de condições intrínsecas a máquina colhedora, à planta e ao manejo da cultura. Foi notada também, entre outras observações, uma maior manutenção da umidade do solo e controle de uma grande variedade de plantas daninhas. Manechini (2000), em pesquisas do efeito do palhiço da cana sobre o combate de plantas daninhas, concluiu que se for deixado acima de 66% do resíduo da cana no campo, há um controle de ervas daninhas anuais com eficiência acima de 90%, competindo com herbicida empregado na produção. Para Ripoli et al. (1998) se o palhiço não fosse queimado, esse poderia melhorar as condições do solo, pois é uma boa
fonte de matéria orgânica e nitrogênio. Segundo Castro (2001), se o palhiço for aproveitado pelas usinas, aumentará o potencial de co-geração de eletricidade através dos canaviais em até duas vezes.
A produtividade da cana-de-açúcar é em torno de 90 toneladas por hectare, dependendo da variedade e oferece 22 toneladas por hectare de bagaço e 25 toneladas por hectare de palhiço.
O desperdício energético do não aproveitamento do material remanescente na colheita, representado pelos ponteiros, folhas verdes e palhas são 34,9% da energia produzida em um hectare de cana e tem equivalentes energéticos de cerca de 30 barris/ha de petróleo ou poder calórico de 1,08 toneladas de bagaço, portanto, eliminada a colheita sem a queima prévia, o palhiço remanescente sobre a terra e proveniente da colheita mecanizada facultaria no recolhimento e utilização para co-geração de energia elétrica nas próprias indústrias sucrooalcoleiras. (RIPOLI, 1991; RIPOLI; RIPOLI, 1996).
Pereira (2001) estima que o potencial de co-geração pode chegar a 6.000 MW de potência ao adicionar-se o palhiço com o bagaço de cana no momento da combustão.
Sartori (2001) realizou um estudo sobre o palhiço e constatou que existe uma ampla variação na quantidade de resíduos resultantes da colheita da cana-de-açúcar sem queima prévia, indo de 6,0 t.ha-1 a 22,8 t.ha-1 de palhiço, variação essa decorrente da variedade plantada, idade da planta e condições climáticas.
Ripoli (2002), no seu estudo sobre o mapeamento de palhiço enfardado de cana-de-açúcar, concluiu que sua variabilidade espacial é muito grande, encontrando
valores que variaram de 4,74 a 14,56 t.ha-1, com umidade também bastante variável (11,1 a
39,6%), alertando ainda que maiores cuidados nas amostragens e decisão da produtividade desse material precisam ser observados. Abramo Filho et al. (1993) estudaram os resíduos da
colheita mecanizada de cana crua e encontraram 21,3 t.ha-1 de palhiço com umidade de
22,34%. Encontrou também 6,92% de terra junto ao palhiço, o que pode danificar os equipamentos e tornar o custo para o emprego do resíduo inviável.
Ripoli et al. (1991) pesquisaram o potencial energético contido em resíduos de colheita de cana crua nas variedades SP70-1284; SP-701143; SP-706163; SP71-1406 e NA5679, no Estado de São Paulo, os resultados estão apresentados no quadro 1.
Quadro 1. Valores médios de umidade, massa e poder calorífico útil (PCU) para as diversas
frações constituintes do palhiço.
Variáveis Médias CVa DPb PCU (Mcal.ha-1) 888,0 13.34 118,50 Folhas verdes Umidade (%) 66,21 5,90 3,88 Massa (t.ha-1) 6,87 29,80 2,05 PCU (Mcal.ha-1) 1.344,8 12,41 166,95 Palhas Umidade (%) 8,81 27,47 2,42 Massa (t.ha-1) 8,74 32,38 2,83 PCU (Mcal.ha-1) 3.609,0 0,67 24,25 Palhiço Ponderal Umidade (%) 46,11 11,23 5,18 Massa (t.ha-1) 21,61 23,80 5,14 PCU (Mcal.ha-1) 45.783.4 24,40 11.152,1
Fonte: Ripoli et al. (1991) a = Coeficiente de variação b = Desvio padrão.
Ripoli (2002) afirma que a cultura canavieira pode gerar biomassa da ordem de 15 a 30% em peso da parte aérea das plantas, dependendo das condições de campo (variedade, idade, número de cortes e condições edafoclimáticas), veja no quadro 2.
Quadro 2. Dados sobre produtividade do palhiço obtidos em diversas bibliografias.
Autores Produtividade do palhiço (t/ha)
Ripoli et al. (1990) 9,70
Ripoli et al. (1991) 21,60
Abramo Filho et al. (1993) 21,30
Molina Jr et al. (1995) 33,85
Ripoli et al. (1995) 33,25
Ripoli et al. (1995) 26,35
Furlani Neto et al. (1996) 13,61
Furlani Neto et al. (1996) 24,32
Ripoli et al. (1999) 11,25
Sartori (2001) 14,40
Torresan (2003) 27,10
Para a coleta do palhiço a ser aproveitado na produção de energia, o resíduo é enleirado por máquinas do tipo ancinho enleirador, depois é enfardado por uma máquina enfardadora, com fardos na forma de prisma ou cilíndros, acondicionados em caminhões e transportados para o centro de processamento.
Um dos desafios fundamentais a serem encarados no sistema de colheita mecanizada de cana crua é o domínio da utilização do palhiço sobre o terreno, pois, muitos problemas ainda são detectados com relação às práticas provenientes do corte de cana crua, como ataques de insetos, doenças, perigo de incêndio no palhiço, aumento de matéria estranha vegetal, maior volume de matéria-prima esmagada, corte basal mais elevado, alterações em equipamentos, além de maior custo com implantação de uma nova tecnologia (VILLA NOVA, 1992).
4.5. Transporte
A otimização do processo de transporte em termos agrícolas começa desde o preparo do solo na lavoura, o dimensionamento do espaço para o plantio e dos equipamentos no campo, até a equipe de manutenção e apoio, dispondo de treinamento
específico para os trabalhadores envolvidos, aplicando alterações necessárias para melhorar o transporte e a recepção da cana na indústria. O uso de máquinas no campo tem relação direta no aumento da compactação dos solos, prejudicial ao desenvolvimento da cana no plantio e nas rebrotas. Essa conseqüência é adicionada com o uso de colhedoras e caminhão de carga, devendo este conjunto ser redimensionado para evitar a entrada do veículo pesado, o qual pode ser substituído por tratores e carretas de alta flutuação, utilizados como veículos de transbordo. Isto significa a possibilidade de usar, no transporte intermediário, até a unidade industrial, caminhões ou cavalos mecânicos com maior capacidade de carga.
A otimização dessas mudanças organizacionais depende do desenvolvimento de técnicas complementares, de alterações e ajustes ou de pequenos inventos que funcionam afetando diretamente os desempenhos operacionais e custos, colaborando para a difusão do processo de inovação. Este é o caso do arranjo dos componentes físicos (colhedora, caminhões e tratores, veículos de manutenção, etc) envolvidos na operação da colheita mecanizada e sua operacionalidade do ponto de vista econômico, que demandam o desenvolvimento de métodos, levantamentos das condições locais, estabelecimento de critérios para quantificar o número de veículos que racionalizem as operações mecanizadas e que atualmente implicam no uso de modelos matemáticos no domínio da informática aplicada, para otimizar o transporte de cana do campo à recepção na indústria (RIPOLI; BALASTREIRE, 1976).
4.6. Sub-produtos da cana-de-açúcar
A cultura da cana para o processo de produção de açúcar e álcool produz matéria prima que em tempos passados eram considerados resíduos a serem descartados no meio ambiente. Hoje, resíduos como o bagaço, vinhoto ou vinhaça, torta de filtro e levedura são aproveitados na produção, reduzindo os custos através da substituição de outras matérias primas utilizadas na atividade, principalmente no setor energético. Coelho (1999) relata que as usinas de açúcar e álcool têm utilizado uma enorme quantidade de biomassa e que 59% dessa é utilizada para fins de co-geração de energia. Portanto, o que antes era resíduo, hoje é considerado mais um produto das usinas.
4.7. O bagaço da cana
O bagaço da cana é um resíduo resultante da moagem no processo de extração do caldo para a fabricação do açúcar e álcool, aproximadamente 30 % da cana moída é convertida em bagaço, com 50 % de umidade. Uma tonelada de cana gera cerca de 140 kg de bagaço, dos quais 90% são usados na produção de energia.
A indústria sucro-alcooleira é caracterizada pela produção de grande volume de resíduos, o processamento industrial de uma tonelada de cana-de-açúcar gera uma série de subprodutos e resíduos, dentre os quais o bagaço tem recebido especial importância devido seu alto potencial energético (ORLANDO; SILVA; LEME, 1992).
4.8. Co-geração de energia através da combustão do bagaço de cana
O atendimento energético para o funcionamento das usinas sucroalcooleiras é suprido pelo processo produtivo da própria indústria, à qual possui como insumo energético primário o bagaço.
O termo co-geração tem uma definição oficial e consta na Resolução da ANNEL nº 2, de 20/01/2000, a saber: “Art. 3º -A co-geração de energia é definida como o processo de produção combinada de calor útil e energia mecânica, geralmente convertida em calor total ou parcialmente em energia elétrica, a partir da energia química disponibilizada por um ou mais combustíveis”.
O vapor gerado pela combustão do bagaço nas caldeiras fornece o calor para todo o procedimento de funcionamento da usina, acionando o trabalho mecânico em turbinas de processo e em turbinas para geração de energia elétrica. A pressão de geração do vapor é da ordem de 1,8 MPa nas destilarias anexas e 2,0 MPa nas destilarias autônomas (CAMARGO; USHIMA; RIBEIRO, 1990).
O vapor primário produzido é empregado diretamente para o acionamento de equipamentos através de turbinas a vapor, normalmente de simples estágio e contrapressão, entre eles os picadores, os desfibradores, os ternos da moenda, a bomba de alimentação da caldeira e os geradores de energia elétrica. O vapor de contrapressão
proveniente das turbinas, chamado de vapor de escape, tem a pressão em torno de 0,25 MPa e é utilizado no processo produtivo, fornecendo o calor necessário.
As Usinas de cana são praticamente autônomas em termos do atendimento de suas necessidades energéticas, sendo pequena a parcela de energia elétrica consumida da rede das distribuidoras locais ao longo do ano, predominantemente nos períodos da entressafra, conhecido como “período sazonal”. Segundo Walter (1994), o setor sucroalcooleiro possui um grande potencial no que se refere a oferta de energia elétrica através do processo de co-geração, estima-se que é gerado 20 vezes mais do que energia elétrica demandada. Segundo Waack (1998), a energia obtida da cana é de grande importância, pois o álcool é um combustível renovável em comparação aos demais derivados de petróleo e
contribui para a redução de gases poluentes causadores do efeito estufa, como o CO2 e a
eletricidade obtida através do processo de co-geração a partir do bagaço de cana-de-açúcar apresenta vantagens pela diminuição de poluentes lançados na atmosfera.
4.9. Modelagem matemática
Com o crescimento do setor sucroalcooleiro surgiram muitos problemas ou aumentaram a complexidade dos já existentes. Assim, a gestão das empresas desse setor tem que lançar mão de todas as possíveis ferramentas que possam auxiliar nas tomadas de decisões. Desta forma, a modelagem matemática pode contribuir em muitos campos desta área.
A modelagem matemática é uma técnica que integra conhecimentos de diferentes disciplinas em uma estrutura de trabalho comum, podendo definir metas claras e comparar objetivos muitas vezes conflitantes, permitindo a previsão do comportamento do sistema, o que é especialmente importante para situações ainda não experimentadas (BERNARDES et al., 2002). Ela tem sido uma importante ferramenta de decisão para viabilizar sistemas racionais de produção. Muitas pesquisas são realizadas com o objetivo de compreender as relações entre os diversos fatores de produção. Sem o uso dos modelos matemáticos, grande parte destas pesquisas só obteriam resultados significantes a longo prazo e com grande demanda de recursos (HANKS; RITCHIE, 1991; JONES; KINIRY, 1986).
Vários trabalhos foram desenvolvidos no intuito de estimar a produtividade da cana-de-açúcar, buscando altos rendimentos, baixos custos e racionalizando as relações entres os diferentes fatores de produção e visando o máximo desempenho (BEAUCLAIR, 1991; BEAUCLAIR, 1994; BITTENCOURT et al., 1989; HUMBERT, 1968; MATIOLI, 1998; PENATTI, 1991; SCARPARI, 2002, dentre outros).
Culverwell (1984) desenvolveu um modelo de previsão de produtividade através de um método denominado de Serviço de Processamento de Recordes de Produtividade (FRPS). Concluiu que esta ferramenta é muito importante no gerenciamento da lavoura canavieira. Os experimentos foram realizados na África do Sul, onde foram analisados dados climáticos, épocas de corte, teores de sacarose.
Beauclair e Penteado (1984) descreveram a importância de modelos matemáticos para previsão do desempenho da cultura em termos de maturação (acúmulo de sacarose) para definição do manejo de variedades.
Rojas (1991) avaliou e expressou matematicamente a influência de diferentes parâmetros climáticos, entre eles a precipitação, evapotranspiração e temperaturas máximas e mínimas, sobre a produtividade da cana-de-açúcar.
Pereira (1987) e Pereira e Machado (1986) descreveram um modelo matemático de balanço de carbono, integrando três procedimentos que normalmente são estudados em separado: crescimento, fotossíntese e respiração.
Segundo Villa Nova et al. (1972), o método mais adequado para correlacionar o acréscimo dos vegetais e a temperatura é o método de graus-dias, que mede a área da região compreendida entre a temperatura base, abaixo da qual o desenvolvimento da planta é considerado nulo, e a curva da temperatura diária. Com base nesse conceito, Barbieri, Bacchi e Villa Nova (1978) propuseram uma fórmula para o cálculo dos graus-dias para a cultura da cana-de-açúcar.
Inman-Bamber e Tompson (1989) estudaram o acúmulo de matéria seca. Para isto, empregaram dois modelos matemáticos, o primeiro foi para investigar o efeito do clima na produção de matéria seca da cana-de-açúcar, utilizando água e fertilizantes em quantidades adequadas. O segundo modelo, chamado “Glover Model” é uma combinação do modelo de respiração de (GLOVER, 1972) com o modelo de fotossíntese CERES-MAIZE (JONES; KINIRY, 1986).
Barbieri (1993) criou um modelo matemático para estimativa de produtividade da cana-de-açúcar utilizando uma série de equações que delineiam o comportamento fisiológico da planta, sendo que as constantes das equações foram obtidas ajustando-se os resultados às pesquisas disponíveis na literatura.
Inman-Bamber (1991) descreveu o modelo CANEGRO, o qual consiste em detalhar os balanços do carbono e da água em uma escolha de equações do balanço de energia para definir a exigência de água na cultura. Esse modelo esclarece o balanço de água, energia e carbono em três diferentes compartimentos.
Singels et al. (1998) desenvolveram o modelo CANESIM, a partir de um modelo proposto para controle de irrigação da cana-de-açúcar, o IRRICANE, com a inclusão de rotinas para simular a produtividade e também a área foliar da cultura. Este modelo foi desenvolvido com os mesmos conceitos básicos do modelo CANEGRO, entretanto mais simples e com menor quantidade de parâmetros de entrada.
Boote, Jones e Pickerring (1996) indicaram alguns modelos de produtividade, para avaliar os riscos de produção da cana, considerando séries climáticas históricas de uma região, através da otimização de: data de plantio, densidade de plantio, espaçamento, escolha de variedade e aplicação de fertilizantes para diferentes tipos de solo.
Mishoe, Jones e Gascho (1979) empregou um modelo fisiológico de desenvolvimento da cana-de-açúcar fundamentado no balanço de carbono, maximizando a biomassa.
Florentino (2005) apresentou um modelo que consiste em otimizar o custo do processo de transferência do palhiço da cana-de-açúcar do campo para o centro de processamento das usinas sucroalcooeiras e também visa otimizar o balanço da energia da biomassa residual da colheita, usando técnicas de otimização inteira multiobjetivo.
4.10. Modelos matemáticos aplicados ao setor sucroalcooleiro
Devido ao amplo uso dos métodos matemáticos na representação, análise e obtenção de estimativas de parâmetros para problemas reais, juntamente com a grande importância que a cultura da cana-de-açúcar tem demonstrado para a economia brasileira tanto na geração de energia quanto na obtenção de outros produtos, foi realizado um
levantamento de modelos matemáticos que auxiliam o setor sucroalcooleiro na obtenção de estimativas e tomadas de decisão. Esses modelos estão descritos a seguir.
4.10.1. Produção da cana-de-açúcar
Diversos pesquisadores relacionaram a produtividade com o uso da água pela cultura, chamando tais modelos de fisiológicos empíricos. Os modelos semi-empíricos são usualmente caracterizados pela relação entre a produtividade da cultura, a quantidade de água no solo, a transpiração ou evapotranspiração e a quantidade de água aplicada pela irrigação.
Um modelo semi-empírico para a quantificação da relação entre a produtividade e a água foi descrito por Doorenbos e Kassam (1979) da seguinte forma:
) 1 ( 1 m r y m r ET ET K Y Y ...(1) sendo: Yr = produtividade real; Ym = produtividade máxima; ETr = evapotranspiração real; ETm = evapotranspiração máxima;
Ky = fator de sensibilidade da cultura à deficiência de água ou taxa de
redução da produtividade.
Scardua (1985) adaptou esse modelo para experimentos de cana irrigada realizados durante 11 anos no município de Araras estado de São Paulo e obteve a seguinte função de produção:
3 3 2 2 1 1X a X a X a Y Y o ...(2) sendo:
ai, i=1, 2, 3 são parâmetros a serem estimados ¸¸ ¹ · ¨¨ © § m r o Y Y Y 1 estimado;...(3)
