ERICA SANTOS POGGI
Simulação de processos e rendimentos esperados para a produção de glicose a partir de diferentes híbridos de cana de açúcar
Lorena 2014
ÉRICA SANTOS POGGI
Simulação de processos e rendimentos esperados para a produção de glicose a partir de diferentes híbridos de cana de açúcar
Lorena 2014
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação no Curso de Engenharia Bioquímica na Escola de Engenharia de Lorena – USP.
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA
FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO Chefia Técnica de Serviço de Biblioteca
Escola de Engenharia de Lorena
Simulação de processos e rendimentos esperados para a produção de glicose a partir de diferentes híbridos de cana de açúcar
Poggi, ÉricaSantos.
Simulação de processos e rendimentos esperados para a produção de glicose a partir de diferentes híbridos de cana-de-açúcar. / Érica Santos Poggi; orientador André Luis Ferraz. Lorena - 2014.
60 f.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Bioquímica. Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo.
1. Cana-de-açúcar; 2. Bagaço de cana; 3. Glicose; 4. Pré-tratamento; 5. Simulação de processos; 6. Produção agrícola.
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais Emarilda Aparecida Santos Poggi, Waldemar Antônio Poggi, minha avó Osvalda Bueno Santos e minha madrinha Everilda Santos Carossini, que me ajudaram diretamente durante todos os anos de faculdade.
Às meninas da república Mãe Joana, com quem morei todos os anos da faculdade, principalmente a Tais Soares Francisco.
Aos meus outros familiares e amigos que contribuíram com o meu desenvolvimento pessoal e profissional.
Ao Prof. Dr André Luis Ferraz, que muito me ensinou e orientou durante o período de elaboração deste trabalho e ao Prof Dr. Júlio César dos Santos que também me auxiliou nesse trabalho.
À Universidade de São Paulo, pela oportunidade de realização do curso de graduação. Ao grupo de Conversão de Biomassa, Modelagem Matemática e Simulação (GCBM), que fiz parte durante meus dois anos de Iniciação Científica.
Ao programa Ciência sem Fronteiras, que me concedeu uma bolsa gratuita para estudar um ano nos USA, onde eu fui exposta ao software SuperPro Designer utilizado nesse trabalho.
RESUMO
POGGI, E. S Simulação de processos e rendimentos esperados para a produção de glicose a partir de diferentes híbridos de cana de açúcar. 2014. 60f. Trabalho de Conclusão de Curso- Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.
O objetivo deste trabalho foi avaliar o bagaço de híbrido de cana com maior produtividade para produção de glicose quando submetido a diferentes pré-tratamentos e hidrólise enzimática. O objetivo também foi simular o custo de obtenção da glicose em três diferentes processos. Para tanto foi avaliado a melhor condição de pré-tratamento sulfito alcalino e o pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído no bagaço e conversões enzimáticas de celulose em glicose, em 24 e 72 horas de hidrólise. Após a obtenção dos maiores resultados, três processos foram simulados no software Superpro Designer v9, sendo eles bagaço pré-tratado com 10%Na2SO3 e 5% NaOH e hidrólise enzimática; bagaço pré-tratado com 0,7%
H2SO4 e hidrólise enzimática; e bagaço com hidrólise enzimática sem pré-tratamento. Estas
análises foram feitas mediante balanços de massa e energia, dados da literatura já publicados e dados do grupo do Laboratório de Ciência da Madeira na Escola de Engenharia de Lorena. Os resultados foram expressos em kg de glicose por hectare de híbrido de cana plantado, em relação a produtividade do bagaço submetido aos diferentes pré-tratamentos. O híbrido 89 apresentou maiores resultados de conversão de celulose em glicose para o pré-tratamento alcalino, ácido e sem pré-tratamento (respectivamente 5269; 4273; 2552 kg glicose/hectare). O custo de obtenção de glicose foi menor para o bagaço sem pré-tratamento, mas o ganho hipotético que poderia ser obtido por kg de glicose em uma mesma área de cana plantada, foi maior para o pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído.
Palavras-chave: Cana-de-açúcar. Bagaço de cana. Glicose. Pré-tratamento. Simulação de Processo. Produção agrícola.
ABSTRACT
POGGI, E. S Process simulation and expected yields to produce glucose from different sugarcane hybrids. 2014. 60f. Trabalho de Conclusão de Curso- Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.
This study aim was to evaluate the bagasse from sugarcane hybrid with the higher glucose productivity under different pre-treatments and enzymatic hydrolysis. The aim was also to simulate the process cost to produce glucose by three different conditions. The best concentration to pre-treat sugarcane bagasse with alkali sulfite, diluted sulfuric acid, and enzymatic hydrolysis (24 and 72h), were analyzed. After obtaining the highest results, three processes were simulated using the software SuperPro Designer v9. They were bagasse pre-treated with 10%Na2SO3 and 5% NaOH after enzymatic hydrolysis; bagasse pre-pre-treated with 0,7% H2SO4 after enzymatic hydrolysis; bagasse under enzymatic hydrolysis without pre-treatment. These analyzes were calculated by mass and energy balance, literature review and data from the laboratory group of Science Wood at Escola de Engenharia de Lorena. The results were given in kg of glucose per hectare of sugarcane, regarding bagasse under different pre-treatments. The hybrid 89 showed the highest results for cellulose conversion into glucose for alkali pre-treatment, acid pre-treatment and without pre-treatment (respectively 5269; 4273; 2552.1 kg glucose/hectare). The lowest glucose cost production was for bagasse without pre-treatment . However, the hypothetical profit that could be obtained by kilo of glucose in the same area of sugarcane cultivation, was higher using diluted sulfuric acid pre-treatment.
Key-words: Sugarcane. Sugarcane bagasse. Glucose. Cellulose Pre-treatment. Process Simulation. Crop production.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Molécula de Celulose 16
Figura 2 - Unidades fenilpropano precursores da lignina 17 Figura 3 - Esquema do efeito do pré-tratamento em materiais lignocelulósicos, destacando a desagregação que ocorre sobre a estrutura da biomassa 18 Figura 4 - Ação sinérgica de endoglucanase, exoglucanase e β- glicosidade em uma fibrila
elementar de celulose 22
Figura 5 - Conversão de celulose por hidrólise enzimática de 5 variedades de
cana-de-açúcar não pré-tratadas 24
Figura 6 - Fluxograma simplificado do processo de pré-tratamento por explosão a vapor e hidrólise enzimática obtido no software SuperPro Designer 29 Figura 7 - Gráficos de ocupação dos equipamentos no processo de acabamento de um
produto farmacêutico 32
Figura 8 - Fluxograma das etapas de pré-tratamento e hidrólise enzimática no bagaço de
cana-de-açúcar para os cenários I,II e III 38
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Rendimentos dos principais componentes do bagaço de cana-de-açúcar antes e
após o pré-tratamento com sulfito alcalino 25
Tabela 2 - Rendimento de sólidos totais do bagaço recuperado e massas de celulose antes e depois pré-tratamento ácido (PT significa pré-tratamento) 26
Tabela 3 - Resultados de hidrólise enzimática após pré-tratamentos alcalino, ácido e sem pré-tratamento no bagaço de híbridos de cana de açúcar. A conversão de celulose é em
Tabela 4 - Preços de materiais e reagentes utilizados no SuperPro Designer para
processamento de material lignocelulósico 28
Tabela 5 - Reações químicas que ocorrem no reator de pré-tratamento e hidrólise
enzimática 28
Tabela 6 - Características de processo contínuo versus processo por batelada 31
Tabela 7 - Entrada de dados no software SuperPro Designer para os cenário I, II e III de obtenção de glicose a partir do bagaço de cana de açúcar. Reações químicas que ocorrem no reator de pré-tratamento e hidrólise enzimática 42
Tabela 8 - Comparação da obtenção de glicose por hectare da cana plantada, considerando diferentes híbridos de cana, diferentes concentrações de licor sulfito alcalino para pré-tratamento e diferentes tempos de hidrólise enzimática 44
Tabela 9 - Comparação da obtenção de glicose por hectare de cana plantada, considerando diferentes híbridos de cana, sem pré-tratamento e com pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído submetidos a 72h e 24h de hidrólise enzimática 45
Tabela 10 - Parte do relatório de balanço de massa gerado pelo software para os três
cenários de obtenção de glicose analisados 49
Tabela 11 - Resultados de consumo de água de refrigeração, vapor e energia durante o processo de obtenção de glicose nos cenários I, II e III. 50
Tabela 12 - Gastos dos processamentos do bagaço, do uso de reagentes e gastos totais da
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Comparação da quantidade de glicose obtida a partir de diferentes amostrar de cana-de-açúcar submetidas a diferentes concentrações de licor sulfito alcalino para
pré-tratamento e hidrólise enzimática por 72 h 42
Gráfico 2 - Comparação entre amostras de híbridos de cana quanto a obtenção de glicose a partir do bagaço, em uma mesma área de cana plantada. Amostras foram submetidas a hidrólise enzimática por 72h sem prévio pré-tratamento, com pré-tratamento alcalino(5% NaOH e 10% Na2SO4) e pré-tratamento ácido (0,7%H2SO4) 46
Gráfico 3 - Gráfico gerado pelo software indicando o tempo de utilização de cada equipamento utilizado no cenário I. Cada cor representa uma batelada diferente. No eixo x estão as horas de operação e no eixo y os equipamentos utilizados 47
Gráfico 4 - Gráfico gerado pelo software indicando o tempo de utilização de cada equipamento utilizado no cenário III. Cada cor representa uma batelada diferente. No eixo x estão as horas de operação e no eixo y os equipamentos utilizados 48
Gráfico 5 - Análise comparativa entre Cenários I, II, III - (a) em relação a parâmetros utilizados nas operações dos equipamentos e (b) em relação aos custos para obter
glicose. 53
Gráfico 6 Comparação do ganho hipotético de venda de glicose, tratando o bagaço nas
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO 12
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 14
2.1. Cana-de-açúcar 14
2.2. Bagaço de cana de açúcar 14
2.2.1. Celulose 15
2.2.2. Hemicelulose 16
2.2. Lignina 16
2.3. Pré-tratamentos dos materiais lignocelulósicos 18
2.3.1. Sulfito Alcalino 19
2.3.2. Ácido sulfúrico diluído 20
2.4. Hidrólise enzimática 21
2.5. Bagaço de diferentes híbridos de cana de açúcar submetidos a hidrólise
enzimática com e sem prévio pré-tratamento 22
2.6. Modelagem e Simulação 27
2.7. Tipos de processos industriais 29
2.7.1. Otimização de processos em batelada 31
3. METODOLOGIA 33
3.1. Híbridos de cana-de-açúcar 33
3.2 Pré-tratamento do bagaço de cana oriundo dos híbridos de cana-de-açúcar 34
3.2.1. Sulfito alcalino 34
3.2.2. Ácido sulfúrico diluído 34
3.3. Hidrólise enzimática 35
3.4. Cálculo do rendimento esperado de glicose a partir de dados de produtividade
em campo dos híbridos de cana de açúcar 35
3.5 Simulação das etapas de pré-tratamento e hidrólise enzimática 36
3.5.1. Dados de entrada no SuperPro Designer 39
4. RESULTADOS 42
4.1 Escolha do híbrido de cana de açúcar para a simulação de processo 42
4.1.2 Pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído 45 4.2 Balanço de massa e energia para o processamento do bagaço do híbrido 89 . 46
4.2.1 Análise dos materiais utilizados e produzidos 48
4.2.2 Análise do consumo de água, vapor e energia na operação dos equipamentos 50
4.2.3 Análise de gastos para obtenção de glicose 51
4.2.4 Análise comparativa dos gastos no processamento, uso de reagentes e gastos
totais 52
5 CONCLUSÃO 55
1. INTRODUÇÃO
Cana de açúcar é usada no Brasil industrialmente como matéria prima para produção de açúcar e etanol, produtos muito usados na indústria alimentícia e de energia (etanol). Porém, o processamento da cana-de-açúcar gera subprodutos e resíduos. O bagaço da cana de açúcar é o maior subproduto da produção de etanol e açúcar e é queimado em caldeiras para suprir a demanda de vapor e energia das usinas (LABAT; GONÇALVES., 2008). Ao mesmo tempo, o bagaço também é um substrato promissor para produção de glicose e posterior fermentação a etanol (GOLDEMBERT et at., 2008).
A partir da glicose, é possível produzir etanol, polímeros e produtos químicos de alto valor agregado ( conhecidos como blocos construtores e intermediários), que dão origem a insumos para as indústria química, alimentícia e farmacêutica. O uso de glicose proveniente de material lignocelulósico é bastante visado para a produção de etanol, pois as leveduras convertem esse substrato diretamente em etanol (EMBRAPA BIONERGIA, 2012).
Embora o bagaço contenha celulose o suficiente para ser uma excelente fonte de açúcar para a produção de glicose, a conversão de celulose em glicose por enzimas é muito limitada sem o uso de uma eficiente etapa de pré-tratamento. A principal razão dessa limitação é recalcitrância da biomassa lignocelulósica que está relacionada com vários fatores, como o arranjo da celulose com a hemicelulose e a lignina na parede celular, que protege a celulose (HIMMEL et al., 2007). Uma das maneiras de aumentar a conversão de celulose por enzimas envolve a degradação da lignina ou sua remoção por pré-tratamento (WYMAN et al., 2005). Alguns estudos foram feitos com lignocelulósicos, diminuindo a proporção de lignina ou modificando sua estrutura na parede celular por meio de modificações genéticas e foi visto um aumento na digestibilidade da biomassa( MENDES et al 2011.; LAM et al., 2003).
Porém, também é sabido que a digestibilidade da parede celular varia significativamente entre diferentes variedades de plantas (LORENZ et al., 2009). Para determinar quanto de glicose pode ser obtida por biomassa plantada, é necessária uma avaliação integrada de rendimento de glicose não só com base no pré-tratamento, e hidrólise enzimática, mas também na produtividade.
Alguns trabalhos foram publicados fazendo o uso de simuladores de processos para avaliar balanços de massa, energia e análise econômica do processamento de materiais
lignocelulósicos para a produção de etanol (DIAS et al., 2011; PALACIOS-BERECHE et al., 2012; KUMAR et al., 2011). Foram analisados diferentes pré-tratamentos para as análises.
Diante desse cenário de aproveitamento de subprodutos da produção de açúcar e etanol, este trabalho tem como objetivo comparar a produtividade de diferentes bagaços de híbridos de cana para a produção de glicose. A partir do híbrido com maior produtividade, também é objetivo desse trabalho, simular diferentes processos de produção de glicose, já estudados no Departamento de Biotecnologia Industrial na EEL USP e analisar qual processo é mais viável economicamente.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Cana-de-açúcar
As plantações de cana de açúcar no Brasil ocupam cerca de 7 milhões de hectares ou cerca de 2% de toda a terra arável do país, que é o maior produtor mundial seguido por Índia, China, Tailândia e México (FAOSTAT, 2012). A cana de açúcar apresenta grande interesse industrial e tecnológico, por possuir um grande potencial energético e por ser completamente renovável (HAHN-HÃGERDAL et al., 2006). Planta-se cana no Centro-Sul ( de abril a novembro) e no Norte-Nordeste (de novembro a abril) do Brasil, o que permite dois períodos de safra e produção de álcool durante o ano todo (ÚNICA, 2010).
A previsão para a temporada 2013/2014 é que o Brasil tenha um acréscimo na área de 314 mil hectares, equivalendo a 3,7% em relação à safra 2012/13. O acréscimo é reflexo do aumento de área da Região Centro-Sul. A Região Norte/Nordeste praticamente se mantém com a mesma área para a próxima safra. São Paulo, Minas Gerais, Goiás e Mato Grosso do Sul deverão ser os estados com maior acréscimo de áreas com 95,9 mil hectares, 60,1 mil hectares, 92,5 mil hectares e 81,4 mil hectares, respectivamente. Este crescimento se deve à expansão de novas áreas de plantio das usinas já em funcionamento. A expectativa é que no Centro-Sul as usinas invistam mais em renovação de canaviais do que em expansão de novas áreas cultivadas. Essa informação também é correta para a Região Nordeste onde a maior seca dos últimos 40 anos afetou a safra 2012/13, deixando muitas usinas descapitalizadas, impedindo aumento de área (CONAB, 2013).
2.2 Bagaço de cana de açúcar
Ao produzir açúcar e álcool, há a geração de vários resíduos agrícolas, como a palha, o bagaço, a torta de filtro, a vinhaça e águas residuárias. Para cada tonelada de cana produzida
são gerados aproximadamente 140 kg de bagaço (LABAT; GONÇALVES, 2008; SAAD et al., 2008). Grande parte desse bagaço é aproveitada como fonte energética dentro das próprias usinas. Atualmente, elas já são auto-suficientes em energia elétrica e vapor através da combustão do bagaço, e algumas já possuem termoelétricas acopladas, gerando energia adicional para as concessionárias elétricas da região. Com uma eficiência de 80 a 85% na combustão, um excedente da ordem de 10% tem sido gerado em usinas que utilizam caldeiras de baixa pressão e um excedente de 30% que pode chegar a 50% em usinas com caldeiras mais modernas de alta pressão (maior que 50 bar) (GONÇALVES, 2011 – Informação pessoal)1. Assim, um grande volume de bagaço é acumulado nos pátios das usinas, o que pode gerar vários problemas, a disposição do material e o risco de incêndio.
O bagaço de cana é um material lignocelulósico com enorme potencial para gerar mais etanol dentro de uma usina de açúcar e álcool, com a mesma área de cana de açúcar plantada ( WACLAWOVSKY et al., 2010), ou também para gerar outros produtos de maior valor agregado que podem ser usados em indústrias alimentícias ou farmacêuticas (EMBRAPA, 2012 ).
O bagaço de cana é uma biomassa lignocelulósica, composta basicamente pela parede das células que antes constituíam o caule da planta integralmente. A parede celular de um vegetal é composta essencialmente por três macromoléculas: celulose, hemicelulose e lignina.
2.2.1 Celulose
A celulose é um polímero de cadeias lineares, de alta massa molar, que tem como unidades repetitivas a celobiose, um dímero de β-D-glicose (C6H10O5)n, podendo ter de 1.500
a mais de 10.000 unidades desse açúcar (Figura 1). As unidades de glicose adjacentes são ligadas entre si pela eliminação de uma molécula de água proveniente das hidroxilas, ligadas ao carbono 1 e ao carbono 4. A posição β do grupo OH força um giro entre as unidades de glicose em torno do eixo C1 - C4 do anel piranosídico, tornando a molécula linear (FENGEL; WEGENER, 1989).
Figura 1 - Molécula de Celulose
Fonte: http://qnint.sbq.org.br
Devido à linearidade das cadeias, as moléculas adjacentes formam uma rede de agregados (microfibrilas) insolúveis em água, com comprimento e largura variados. As microfibrilas com diâmetro médio de 1 a 30 nm apresentam regiões cristalinas e amorfas (FENGEL; WEGENER, 1989).
2.2.2 Hemicelulose
As polioses, também chamadas de hemiceluloses, diferem substancialmente da celulose por serem amorfas, com estrutura ramificada e composta pela combinação de vários açúcares (pentoses, hexoses, ácidos hexurônicos e deoxiexoses). Elas tem peso molecular menor comparado com à celulose e ramificações de cadeias laterais pequenas, mas facilmente hidrolisáveis. As polioses são classificadas de acordo com os açúcares presentes na cadeia principal do polímero: xilanas, glucomananas e galactanas (FENGEL; WEGENER, 1989).
Gramíneas (bagaço), possuem um tipo de hemicelulose que é basicamente uma cadeia principal de xilana com grupos pendentes de ácido 4-metil glucurônico e arabinose, sendo denominada glucuronoarabinoxilana (GIRO et al., 2010; RAMOS, 2003; CARPITA, 1996).
2.2.3 Lignina
A lignina é uma macromolécula amorfa, altamente complexa e ramificada tridimensionalmente, gerada a partir da polimerização desidrogenativa dos álcoois hidroxicinamílicos: p-cumarílico (I), coniferílico (I) e sinapílico (III) (Figura 2). A lignina confere rigidez, impermeabilidade, resistência aos ataques de microrganismos e à degradação
oxidativa . É constituída principalmente de unidades de fenilpropano associadas por ligações estáveis do tipo C-C, aril-éter e aril-aril( FENGEL; WEGENER, 1989).
Figura 2– Unidades fenilpropano precursoras da lignina (FENGEL; WEGENER, 1989).
Devido a essa proximidade da lignina com as microfibrilas de celulose, ela tem sido considera a principal barreira física à hidrólise enzimática e/ou microbiana dos materiais lignocelulósicos.
Ligninas constituem um dos maiores problemas na produção de polpa e papel por causa da necessidade de separá-las das fibras. Este processo consome grandes quantidades de energia e o uso de reagentes muitas vezes tóxicos. Por essa e outras razões, vários grupos de pesquisa vêm tentando alterar o conteúdo e a composição da lignina de plantas por engenharia genética com o objetivo de aumentar a digestibilidade dos materiais e também a eficiência de polpação. Em certos tipos de mutantes de milho, sorgo, tabaco e alfafa, o aumento na digestibilidade foi associado a uma redução no teor de lignina (STICKLEN, 2008,LI et. al, 2008).
A manipulação genética na biossíntese de lignina foi proposta para reduzir a necessidade de processos de pré-tratamento para produção de açúcares fermentáveis. Por exemplo, um recente estudo na biossíntese de lignina de alfafa mostrou que a regulação de seis diferentes enzimas da via biossintética poderia reduzir ou eliminar a necessidade de pré-tratamento químico na produção de açúcares fermentáveis (CHEN;DIXON, 2007; CHAPPLE et.al,2007).
2.3 Pré-tratamentos dos materiais lignocelulósicos
A recuperação de açúcares a partir dos materiais lignocelulósicos tem sido o tema de interesse de muitos departamentos de pesquisa no Brasil e no mundo. Embora a busca por esses açúcares seja grande, alguns fatores são responsáveis pela queda de eficiência da hidrólise enzimática da celulose. A presença de outros componentes do material lignocelulósico (hemicelulose e lignina) dificulta o acesso à celulose (HENDRIKS; ZEEMAN, 2009). Para que o acesso seja possível, o material lignocelulósico deve passar por uma etapa chamada de pré-tratamento.
O processo de pré-tratamento ideal deveria proporcionar desagregação da estrutura do material lignocelulósico (Figura 3), fornecendo um substrato mais facilmente hidrolisável pelas enzimas celulolíticas, além de evitar a formação de produtos de degradação de açúcares e compostos inibidores aos microrganismos da fermentação, ter um custo operacional e de capital reduzido, entre outros (MOSIER et al., 2005; SUN; CHENG, 2002; TAHERZADEH; KARIMI, 2007a). Ele deve ser efetivo para uma grande variedade de materiais lignocelulósicos e permitir obter frações dos componentes da biomassa que possam ser aproveitado, como, por exemplo, a geração de lignina de alto valor agregado, elevando a eficiência de utilização integral da biomassa. Além disso, o impacto do pré-tratamento no custo das etapas posteriores de recuperação de produto também deve levado em consideração (AGBOR et al., 2011; MOSIER et al., 2005).
Figura 3 - Esquema do efeito do pré-tratamento em materiais lignocelulósicos, destacando a
Muitos métodos de pré-tratamento têm sido estudados ou estão ainda em fase de desenvolvimento. É difícil avaliar e comparar as tecnologias de pré-tratamento devido aos diversos custos de pré- e pós-processamento, o capital de investimento, a recuperação dos reagentes químicos e os sistemas de tratamento dos resíduos (JEOH et al., 2007). Entretanto, como parte integrante de um sistema industrial ou de uma biorefinaria, uma análise de balanço de massa pode ser usada para validar a eficiência de um processo para uma dada matéria-prima (AGBOR et al., 2011). Os tipos de pré-tratamento dependem do material utilizado e da finalidade proposta de utilização das frações lignocelulósicas, podendo ser físicos, físico-químicos,químicos e biológicos.
O pré-tratamento com álcali utiliza condições moderadas de reação se comparada aos processos com ácido. O principal efeito consiste na remoção da lignina da biomassa e aumento da reatividade da fibra. O álcali tende a inchar a fibra de maneira que a cristalinidade da celulose decresce enquanto ocorre um aumento da área superficial e porosidade da mesma (SILVERSTEIN et al., 2007). Desacetilação é a principal reação que ocorre durante a primeira etapa de qualquer processo de polpação alcalina. Para madeiras, essa reação é responsável por uma parte considerável do consumo de álcali (ZANUTTINI et al.,2009; Kong et al.,1992) relataram que álcalis removem grupos acetil de hemicelulose, reduzindo o impedimento estérico imposto às enzimas hidrolíticas e melhorando muito a digestibilidade dos carboidratos. Outra reação importante que ocorre na estrutura da hemicelulose do bagaço na presença de NaOH é a quebra da ligação éster entre a arabinose e o ácido ferúlico, assim liberando cada composto.
2.3.1 Sulfito Alcalino
A maioria das tecnologias experimentais de pré-tratamento requer o desenvolvimento comercial de equipamentos para operar em larga escala (ZHU etal., 2009). Por outro lado, muitos dos equipamentos utilizados pela indústria madeireira para a fabricação de celulose podem ser adaptados para o tratamento de outros materiais lignocelulósicos (BIERMANN, 1993). Entre eles, o processo químico-mecânico de polpação pode também ser utilizado no
pré-tratamento de bagaço de cana. Neste processo, o refinador de disco desintegra os feixes de fibras o que aumenta área superficial do material. Um refinador de disco varia de 80 a 120 m³ de capacidade (informação pessoal)2. O pré-tratamento químico-mecânico de cavacos de madeira com sulfito e subseqüente sacarificação enzimática foram reportados (ZHU et.al,2009a ; WANG et.al, 2009 ). As amostras foram impregnadas com solução de sulfito em meio ácido e cozimento a 180°C por 30 minutos, seguida de uma etapa de refino em refinador de discos. Os autores nomearam o processo de SPORL (Sulfite Pretreatment to Overcome Recalcitrance of Lignocellulose), porque com este material pré-tratado foi obtida uma alta conversão enzimática (90%) de celulose a glicose. A diminuição da recalcitrância do material é alcançada em razão da combinação de efeitos: parcial dissolução da hemicelulose, despolimerização da celulose, parcial deslignificação, parcial sulfonação da lignina e aumento da área superficial através da fibrilação (ZHU et al, 2009). A sulfonação da lignina aumenta a hidrofilicidade da amostra pré-tratada por SPORL e reduz a adsorção improdutiva de enzimas na lignina (ZHU; PAN,2010). O bagaço de cana-de-açúcar é facilmente hidrolisado por um processo alcalino simples, entretanto, modificações deste processo utilizando sulfitoalcalino/antraquinona e Na2SO3/NaOH foram analisadas por Hedjazi et al. (2008), para melhorar a deslignificação, o rendimento e a qualidade da polpa em comparação com o processo soda. Em estudo anterior, foi demonstrado que a polpação sulfito alcalino/antraquinona de bagaço desmedulado resultou numa eficiente deslignificação e manteve um elevado rendimento (WANG;PATT, 1989).
2.3.2 Ácido sulfúrico diluído
O pré-tratamento de materiais lignocelulósicos com ácidos diluídos, principalmente sulfúrico, é um dos métodos mais efetivos e utilizados para a remoção e solubilização da hemicelulose. A hemicelulose solubilizada pode continuar a sofrer reações hidrolíticas, produzindo monômeros, furfural e hidroximetilfurfural, entre outros. Este tipo de pré-tratamento possui mínima influência na extração da lignina (SILVERSTEIN et al., 2007).
A alteração estrutural e a redistribuição da lignina é o principal efeito do pré-tratamento na macromolécula, o que pode aumentar substancialmente a sacarificação de materiais lignocelulósicos (HENDRIKS; ZEEMAN, 2009). Geralmente, durante o pré-tratamento de materiais lignocelulósicos com ácidos diluídos, a lignina solubilizada a quente é rapidamente condensada durante o abaixamento da temperatura, pois precipita em ambientes ácidos. As interações lignina-hemicelulose-celulose podem ser completamente alteradas, tornando a celulose mais acessível às enzimas que a hidrolisam mesmo na presença de grandes quantidades de lignina residual (GROHMANN et al., 1984).
2.4 Hidrólise Enzimática
Devido à constituição física dos materiais lignocelulósicos e ao fato de que na natureza a celulose ocorre sempre associada à lignina e a hemicelulose, a estratégia de liberação dos açúcares fermentescíveis da celulose requer ações coordenadas de várias enzimas, após a etapa de pré-tratamento (ALVIRA, et al., 2010). A hidrólise enzimática da celulose representa uma alternativa importante para a produção de etanol usando resíduos agroindustriais, por se tratar de um processo específico e limpo. Para a hidrólise enzimática da celulose, são requeridas: 1) exo-glucanases (EC 3.2.1.91), 2) endo-glucanases (EC 3.2.1.4), e 3) 1,4-β-D-glicosidases (EC3.2.1.21) (ERIKSSON; BOJERSSON; TJERNELD, 2002).
As endoglucanases atuam randomicamente ao longo da cadeia da molécula de celulose, diminuindo o grau de polimerização da cadeia de celulose. As exoglucanases, também chamadas celobiohidrolases, atuam nas regiões terminais da cadeia de celulose, promovendo sua despolimerização gradativa através da retirada de unidades terminais de celobiose. As β-glicosidases hidrolisam a celobiose à glicose, reduzindo assim o efeito inibidor da celobiose sobre as endo e exoglucanases (RAMOS,2003).
Estas três classes de enzimas mencionadas atuam em sinergia para hidrolisar a celulose, criando sítios acessíveis umas para as outras (Figura 4) e aliviando problemas de inibição pelos produtos (VÄLJAMÄE et al., 2003).
Figura 4 Ação sinérgica de endoglucanase, exoglucanase e β-glicosidase em uma fibrila
elementar de celulose (MARTINS, 2005).
Os extratos celulolíticos comerciais, comumente empregados nos processos de hidrólise enzimática, apresentam uma mistura complexa das enzimas descritas cujas atividades estão atualmente bem descritas na literatura.
2.5 Bagaço de diferentes híbridos de cana de açúcar submetidos a hidrólise enzimática com e sem prévio pré-tratamento
Em um estudo recente feito por Masarin et al. (2011), foram avaliados diversas plantas híbridas de cana-de-açúcar com teores variados de lignina, a partir das quais o presente trabalho foi desenvolvido. A partir desse grupo de híbridos e canas-de-açúcar usadas como referência, os autores analisaram a composição química e eficiência da conversão de polissacarídeos mediante uma hidrólise enzimática direta.
As composições químicas encontradas para 5 dos 11 híbridos analisados por Masarin estão na tabela 1. Os teores de lignina total foram de 17 % - 24 %, enquanto que os de glucanas (celulose) foram de 38 % - 42 %. A baixa quantidade de lignina em alguns híbridos foi compensada por um aumento variável do teor dos outros componentes, inclusive os extrativos.
Na abordagem com hidrólise enzimática direta da biomassa, o estudo mostrou que a hidrólise da celulose ocorreu em maior extensão nos híbridos com menor teor de lignina (Figura 5). A maior eficiência em conversão de celulose foi de 32% em 72h, que, no entanto, ainda é um valor baixo para a eficiência da hidrólise. Assim, pré-tratamentos foram realizados e observou-se que taxas menores de deslignificação foram necessárias nas biomassas com baixo teor de lignina, atingindo-se, por exemplo, 80% em conversão de celulose na eficiência da hidrólise enzimática.
Figura 5. Conversão da celulose através de hidrólise enzimática de 5 variedades de
cana-de-açúcar não pré-tratadas (adaptado de MASARIN et al., 2011).
Outro estudo também usado nesse trabalho, foi o estudo feito por Laurito et al. (em fase de elaboração)3, no qual o bagaço dos híbridos de cana de açúcar 89, 146, 58 ,321, 140 e cana de usina (MB) foram submetidos ao pré-tratamento sulfito alcalino, em diferentes concentrações dos reagentes. Também foram utilizadas informações sobre as conversões de celulose em glicose das amostras ( tabela 1).
Tabela 1. Rendimentos dos principais componentes do bagaço de cana-de-açúcar antes e após o pré-tratamento
com sulfito alcalino.( Dados adaptados de Massrin et al.,2011 e Laurito et al.) Cana de açúcar ton de cana por hectare * kg bagaço/ ton cana (massa seca) * Na2SO3** NaOH** Rendimento de sólidos (%)** Lignina (% na polpa)** Glucana (% na polpa)** Hemicelulose (% na polpa)** Bagaço de Usina 90 135 0 0 100 24.0 42 26 5 2.5 96.8 19.0 47 27.7 7,5 3.75 88.6 15.9 47.4 27.1 10 5 74.9 15.3 54 26.9 Híbrido 140 88 175,8 0 0 100.0 21.5 38.2 27.0 5 2.5 78.4 22.9 39.8 24.9 7,5 3.75 73.0 20.6 45.9 27.7 10 5 68.2 14.0 48.3 27.5 Híbrido 321 54,4 115,2 0 0 100 20.2 40.4 31 5 2.5 83.6 20.5 44 27.4 7,5 3.75 81.4 17.7 44.8 25.7 10 5 74.3 11.8 51 29 Híbrido 58 84,9 142,4 0 0 100.0 18.6 40.9 26.3 5 2.5 88.4 19.2 45.3 26.3 7,5 3.75 85.8 16.1 47.9 26.8 10 5 77.9 11.4 51.2 27.5 Híbrido 146 52,6 84,4 0 0 100 18.6 40.9 31.6 5 2.5 86.0 18.6 46.1 30.4 7,5 3.75 79.3 15.8 48 30.0 10 5 77.8 13.7 49 29.2 Híbrido 89 101,2 176 0 0 100.0 16.8 40.3 27.3 5 2.5 79.7 17.5 42 26 7,5 3.75 70.8 14.4 47 27 10 5 60.1 11.3 53.3 29.3
(*) dados do artigo de Massarin et al., (2011) (**) dados do artigo de Laurito et al.
Santos et al., também fizeram um estudo ( em fase de elaboração)4 com alguns dos híbridros usados por Masarin et al.,(2011). Foi utilizado o pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído antes da hidrólise, para avaliar como esse pré-tratamento interfere na remoção da hemicelulose. Os resultados relativos a celulose estão na tabela 2.
Para esse trabalho de conclusão de curso, os dados obtidos por Massarin et al., (2011), Laurito et al., e Santos at el., foram usados para comparar a rentabilidade de cada pré-tratamento para obtenção de glicose.
Tabela 2. Rendimento de sólidos totais do bagaço recuperado e massas de celulose antes e após o pré-tratamento
ácido (PT significa pré-tratamento) (Dados de Santos et al).
Massa de celulose ( g) em 100 g de bagaço Massa de celulose ( g) após PT Amostra Rendimento de sólidos do PT(%) Bagaço de Usina* 58,30 45,0 34,6 H140 61,99 38,2 35,3 H321 64,44 40,4 38,0 H89 53,13 40,3 34,2
(*) Bagaço obtido na usina Vale do Rosário - Morro Agudo, SP
Também foi visto no trabalho de Santos et al., que a porcentagem de celulose no bagaço pré-tratado foi de 64,4%.
Tabela 3. Resultados de hidrólise enzimática após pré-tratamentos alcalino, ácido e sem pré-tratamento no
bagaço de híbridos de cana de açúcar. O tempo de hidrólise foi de 24h e 72h e a conversão de celulose é em referência a celulose do bagaço pré-tratado. (Dados de Laurito et al., e Santos et al.,).
Pré-tratamento Pré-tratamento
Sem Pré-tratamento
Sulfito Alcalino
10%Na2SO3/5%NaOH Ácido diluído 0,7%H2SO4
Celulose convertida(%) em glicose
Amostra após 24h hidrólise
após 72h hidrólise
após 24h hidrólise após 72h hidrólise
após 24h hidrólise após 72h hidrólise MB 51,6 74,7 33 45,4 10,7 12,5 H 140 56,4 68,4 36,3 48,9 10,1 13,0 H 321 66,3 86,3 41,7 54,9 13,4 14,7 H 89 66,2 83,2 54,1 63,1 26,2 32,0
2.6 Modelagem e Simulação
Devido a escassez de escala comercial de usinas que processem materiais lignocelulósicos para produção de etanol e outros produtos, muitas das tecnologias tem sido testadas apenas em laboratório e em escala piloto. Muitos pesquisadores tem usado simuladores de processos para produção de etanol a partir da palha de milho ( MURTHY et al., 2011). Wooley et al.(1996), desenvolveu um modelo de processo usando o software Aspen Plus para produção de etanol celulósico usando pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática, o que serviu de base para muitos outros estudos e estimativas de custo para produção de etanol de segunda geração. Um relatório do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos USA (NREL), providenciou um modelo de processo atualizado no qual inclui todos os detalhes da operação, tais como alimentação dos reatores, recuperação do produto, tratamento de água, além das principais operações unitárias.
Murthy et al.,(2011) publicou um estudo sobre a comparação de modelagem e simulação de vários pré-tratamentos para grass straw usando o software SuperPro Designer. Também foi investigado a viabilidade econômica de cada pré-tratamento, comparado o uso de energia, vapor, custo de operação entre outros parâmetros. O processo estudado era para uma planta com 250.000 toneladas métricas de biomassa por ano e os preços dos reagentes utilizados estão na tabela 4.
Na literatura também há estudos de simulação de processo usando o bagaço da cana-de-açúcar como matéria- prima para produção de etanol de segunda geração. Foi feito um estudo de simulação usando o software ASPEN PLUS para avaliação do balanço de massa e energia para processos integrados, considerando o pré-tratamento do bagaço da cana de açúcar por explosão a vapor (PALACIOS-BERECHE et al., 2012). As reações utilizadas no pré-tratamento e na hidrólise enzimática estão na tabela 5.
Tabela 4. Preços de materiais e reagentes utilizados no SuperPro Designer para processamento de material lignocelulósico. Material Custo $/kg Água* 0,0030 Ácido sulfúrico* 0,0350 Celulase* 0,5170 Hidróxido de Sódio* 0,4500 Sulfito de Sódio** 0,4000 Vapor*** 0,0200 Água de refrigeração*** 0,0001 Energia elétrica*** 0,1000 (*) Dados obtidos no artigo de Murthy et al., 2011
(**) Dado obtido na internet ( www.Alibaba.com em abril de 2014) (***) Dados obtidos no banco de dados do software SuperPro Designer
Marina Dias et al. (2011), publicaram um artigo sobre a inclusão da produção de etanol celulósico nas usinas que produzem etanol de primeira geração. No estudo deles, foi comparado a implementação da tecnologia que já é estudada hoje, com tecnologias futuras. Na Figura 6 encontra-se um diagrama simplificado da etapa de pré-tratamento e hidrólise enzimática do bagaço de cana de açúcar usado no software SuperPro Designer.
Tabela 5 Reações químicas que ocorrem no reator de pré-tratamento e hidrólise enzimática (modificado
BERECHE et al., 2012)
Reação Reagente Produto
C6H10O5 + H2O --> C6H12O6 Celulose Glicose C5H8O4 + H2O --> C5H10O5 Hemicelulose Xilose
Os equipamentos utilizados por DIAS et al., (2011), foram tanque de agitação para o pré-tratamento por explosão a vapor, filtro a vácuo rotativo para separação sólido líquido antes e após hidrólise enzimática, e outro reator de agitação para hidrólise enzimática (figura 6)
Figura 6 Fluxograma simplificado do processo de pré-tratamento por explosão a vapor e hidrólise enzimática
obtido no SuperPro Designer (adaptado DIAS et al., 2011).
Para cálculos de análise final e comparação entre diferentes pré-tratamentos deste estudo, usou-se também o conceito de ganho hipotético, sendo esse ganho, a diferença de preço de compra menos o preço de venda. Segundo definição do livro de matemática básica (Livro da Matemática Básica, cap 5, Interna Coc educação).
2.7 Tipos de Processos Industriais
As características gerais de uma indústria de processo são bem representadas pela definição da APICS – American Production and Inventory Control Society - ( FRANSOO; RUTTEN, 1993, p.48), " Indústrias de processo são aquelas que adicionam valor aos materiais através de mistura, separação, conformação ou reações químicas. O processamento pode ser tanto contínuo como em bateladas (lotes) e geralmente requer rígido controle do processo e alto investimento de capital".
Para melhor entendimento dessa definição, faz-se necessário conceituar também os termos processo por bateladas e processo contínuo. Novamente de acordo com a APICS, processamento por bateladas (lotes) " Um processo industrial que prioritariamente programa curtos ciclos de produção de produtos". Processamento contínuo " Processo no qual as interrupções são mínimas em qualquer corrida de produção ou entre corridas de produção de
produtos que exibam características de processo, tais como líquidos, fibras, pulverizados, gases".
Essa distinção entre processos contínuos e por bateladas é muito usada para análise dos processos de produção de diferentes setores industriais. Ainda não existe um consenso sobre uma definição mais rigorosa desses termos. A tabela 6 sintetiza as principais características de cada uma dessas duas formas de indústrias de processo.
O tempo de processamento por unidade é muito pequeno em processo contínuo, porém a alta velocidade de produção e o grande tempo gasto com mudanças de set up, impõem que os pedidos ou ordens de serviço sejam grandes. A baixa complexidade e variedade dos produtos, aliados ao baixo número de etapas de produção e a grande demanda por estes poucos produtos, tornam justificáveis altos investimentos em equipamentos de “single purpose” que operam em regime de 24 horas por dia. A utilização desses equipamentos simplifica a determinação da disponibilidade de capacidade. Uma vez que a velocidade de produção é muito alta, os custos de material correspondem a cerca de 60-70% do custo total (FRANSOO; RUTTEN, 1993).
Já em processo por batelada, ao contrário, o número de etapas de produção é maior e o nível de complexidade do produto é alto. Em indústrias de química fina, por exemplo, muito comumente pode se distinguir mais de dez etapas de produção diferentes para um mesmo produto. O fato de usar um mesmo equipamento para produzir uma maior variedade de produto, a utilização de um mesmo equipamento torna o controle da produção muito complexo. Freqüentemente faz-se necessário uma ampla reconfiguração, instalações são refeitas e reconectadas para proporcionar novas configurações de processo.
Tabela 6. Características de processo contínuo versus processo por batelada.( Franscico e Rutten (1993)).
Processo Contínuo Processo por batelada
Alta velocidade de produção, pouco trabalho humano
Tempo de lead time grande, muito trabalho humano no processo
Clara determinação de capacidade, uma rotina para todos os produtos
Capacidade não facilmente determinada (diferentes configurações, rotinas complexas) Baixa complexidade do produto Produtos mais complexos
Baixo valor agregado Alto valor agregado Tempos de parada causam grande
impacto Tempos de parada causam menor impacto
Pequeno número de etapas de produção Grande número de etapas de produção Número limitado de produtos Grande número de etapas de produção
2.7.1 Otimização de processos em batelada
Para processos em batelada, a produtividade anual é igual a produtividade por batelada multiplicada pelo número de bateladas ou ciclos em um ano de produção. Conseqüentemente, pode-se aumentar a produtividade anual por meio do aumento da quantidade de material processado por batelada (tamanho dos reatores), ou pelo aumento de bateladas por ano, ou pelo aumento dos dois parâmetros. Para tanto, é analisado os gargalos do processo que são relacionados com os tamanhos dos equipamentos ou dos recursos. Recursos incluem demanda por equipamentos, matéria prima, trabalhadores, entre outros. (INTELLIGEN, INC)
Os gargalos que limitam o número de bateladas por ano são conhecidos como tempo de gargalo. Aqueles que limitam a produtividade da batelada são conhecidos com gargalos de tamanho. Estudos que almejam reduzir o tempo de ciclo do processo e consequentemente o aumento do número de bateladas do processo e produtividade anual, são conhecidos com estudos de redução do tempo de ciclo (INTELLIGEN, INC). Um exemplo desse estudo foi o artigo publicado por Petrides et al. (2011) sobre aumento de bateladas para obtenção de frascos de 5 mL de um produto farmacêutico. A figura 7 (a) mostra duas bateladas
consecutivas usando apenas um equipamento para cada etapa do processo, sendo o intervalo de uma batelada e outra de 4 dias. Foi visto que o equipamento LYO-1, liofilizador, é o equipamento que mais gasta tempo no processo e onde o processo deve ser melhorado. Já a figura 7 (b), mostra o mesmo processo mas com o uso de 4 liofilizadores trabalhando em paralelo, o que resultou em um intervalo de batelada de 1 dia e continuidade no fluxo de material liofilizado. Adicionando liofilizadores em paralelo, a produtividade anual foi aumentada quatro vezes. (Petrides et al., 2011)
Figura 7. Gráficos de ocupação dos equipamentos no processo de acabamento de um produto farmacêutico - (a)
duas bateladas consecutivas com um equipamento para cada operação e (b) oito bateladas consecutivas usando 4 liofilizadores. Os equipamentos estão no eixo y e o tempo no eixo x. Cada batelada é representada por uma cor
diferente.( Petrides et al., 2011).
3. METODOLOGIA
Os dados analisados neste trabalho foram obtidos nos laboratórios do Departamento de Biotecnologia da Escola de Engenharia de Lorena e estão publicados no artigo Massarin et al. (2011), ou submetidos para publicação recentemente: Laurito et al. (2014) e Santos et al. (2014).
Os itens 3.1, 3.2, 3.3 e 3.4 descrevem as metodologias usadas pelos pesquisadores do Departamento de Biotecnologia para gerar os dados que foram analisados conforme descrito no itens 3.5, 3.6 e 3.7 (executados nesse trabalho).
3.1 Híbridos de cana -de- açúcar
Um grupo de híbridos de cana-de-açúcar desenvolvido experimentalmente por pesquisadores da Universidade Federal de Viçosa (projeto CNPq 552741/2007-8, coordenador Dr. Márcio Barbosa) junto à RIDESA (Rede Interuniversitária para o Desenvolvimento do Setor Sucroenergético), foi avaliado no presente trabalho. As plantas em questão foram selecionadas por apresentarem teores diferenciados de lignina e produtividade conforme mostrado na Tabela 1, levando-se em conta também outros fatores como resposta a hidrólise enzimática direta das mesmas, conforme apresentado por Masarin et al. (2011). Assim, do conjunto de 11 híbridos e um cultivar de referência, 5 amostras foram selecionadas para o presente estudo com tratamento sulfito alcalino e 3 amostras com o pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído. As amostras selecionadas corresponderam ao cultivar de referência e ao híbrido 140, que apresentam elevado teor de lignina, além dos híbridos 58 e 89 que apresentam baixo teor de lignina e também os híbridos 321 e 146. Além dessas amostras, uma amostra de cana-de-açúcar coletada na usina Vale do Rosário - Morro Agudo, foi utilizada como material de referência (MB).
3.2 Pré-tratamento do bagaço de cana oriundo dos híbridos de cana-de-açúcar
3.2.1 Sulfito Alcalino
O pré-tratamento foi feito com 20g de bagaço impregnado com licor de sulfito alcalino na proporção bagaço/licor de 1:11 (m/m). Vácuo foi aplicado no biomassa seca contida num frasco de Buchner por 30 min. Em seguida, com o auxílio de vácuo, o licor de pré-tratamento foi deslocado para o interior do frasco que continha o bagaço de cana e mais 15 minutos de vácuo foi aplicado. As concentrações do licor sulfito alcalino corresponderam a 2,5 ; 3,75 e 5g de NaOH (por 100g de bagaço seco), combinando com 5, 7,5 e 10g de Na2SO3 (por 100 g de
bagaço seco), respectivamente. A biomassa impregnada foi cozida a 120°C por 120 min. O material cozido foi filtrado utilizando um filtro de papel e o licor foi descartado. Os sólidos retidos foram lavados com 1L de água destilada e parte das partículas menores que 0,2 mm passaram pelo filtro de papel. A recirculação do filtrado permitiu a formação de uma camada fibrosa sobre o papel de filtro que reteve partículas finas. A recirculação de água foi interrompida quando a água de lavagem não estava mais turva. Os sólidos retidos foram misturados com 750 mL de água em um misturador de laboratório por 15 minutos. O rendimento de sólidos após o pré-tratamento foi calculado medindo a massa inicial e final da biomassa seca (Laurito et al., 2014 - submetido)
3.2.2 Ácido sulfúrico diluído
O pré-tratamento foi feito com 20g de bagaço impregnado com licor de ácido sulfúrico na proporção bagaço/licor de 1:20 (m/m). A impregnação do bagaço com licor sob vácuo foi conduzida conforme descrito no item 3.2.1. A concentração do licor era de 0,7% (p/v) de ácido sulfúrico (2,66 g H2SO4 e 377,34 g de água, equivalendo a 13,3g de H2SO4/100g de
conforme descrito no item 3.2.1 e o licor foi descartado. Os sólidos retidos foram misturados com 750 mL de água em um liquidificador de laboratório por 15 minutos. O rendimento de sólidos após o pré-tratamento foi calculado medindo a massa inicial e final da biomassa seca (Santos et al., 2014, submetido)
3.3 Hidrólise enzimática
Para a hidrólise enzimática das diversas biomassas de cana, foram utilizadas enzimas comerciais: Cellubrix e Novozym 188 (ambas produzidas e comercializadas sob supervisão da empresa Novozymes, Dinamarca). As amostras de bagaço foram hidrolisadas com 10 FPU de celulases/g de substrato e 20 U de β-glicosidase/g de substrato. As reações foram realizadas em tubos Falcon com 1g de bagaço e volume final de reação de 10 mL, com tampão acetato de sódio 50 mM, pH4,8 contendo 0,01 % de azida sódica. Os experimentos foram realizados sob agitação de 120 rpm e a 45 °C por 72 h. Durante o processo de sacarificação, as reações foram amostradas em intervalos regulares entre 4 e 72 h. Os dados de hidrólise gerados após 24 e 72 h de reação foram alvo de análise no presente trabalho. As amostras coletadas foram colocadas em banho em ebulição por 5 min e centrifugadas, sendo que o sobrenadante foi analisado por HPLC (Massarin et al., 2011).
3.4 Cálculo do rendimento esperado de glicose a partir de dados de produtividade em campo dos híbridos de cana de açúcar
A quantidade esperada de glicose, expressa com base na produtividade de campo e nos dados de pré-tratamento e hidrólise enzimática, foi calculada utilizando as equações 1 e 2:
Rglicose (g/100 g de bagaço seco) = (MglucanaPt (g) x Cgluc-henz (%))/100 eq (1) 0,9
onde:
Rglicose: rendimento de glicose obtido após o pré-tratamento e a hidrólise enzimática; MglucanaPt: Massa de glucana recuperada após o pré-tratamento de 100 g de bagaço, sendo MglucanaPt = % glucana no sólido tratado x rendimento (%) de sólidos após pré-tratamento/100
Cgluc-henz: % de conversão da glucana do sólido pré-tratado à glicose
Na equação 1 há uma divisão por 0,9, pois quando a glucana é hidrolisada à glicose, ocorre a incorporação de uma molécula de água em cada uma das ligações glicosídicas presentes no polissacarídeo (primeira reação da tabela 5). A incorporação da molécula de água representa o aumento de 18 g/mol em cada molécula de anidroglicose (162 g/mol) presente no polissacarídeo. Assim, quando a glucana é hidrolisada à glicose, a massa glicose obtida é 10% maior do que a de glucana originalmente presente na biomassa.
Com os dados de produtividade em campo e o rendimento de glicose (da equação 1) foram calculados os valores de glicose esperada, expressos em Kg glicose/ha, de acordo com a equação 2:
Glicose esperada (kg/ha) = [(Rglicose (g/100g de bagaço)/100) x Prod bagaço (g/ha)]/1000 eq (2)
onde:
Rglicose: resultado da equação 1
Prod bagaço: produtividade do bagaço em campo (g/ha)
3.5 Simulação das etapas de pré-tratamento e hidrólise enzimática
A simulação dos processos foi desenvolvida utilizando o software SuperPro Designer v9 (Intelligen, INc., Scotch Plains, NJ). Estudos publicados de obtenção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos (Murthy et al., 2011; Palacios-Bereche et al., 2012) utilizaram o processo contínuo para as etapas de pré-tratamento já que o produto final era o etanol (uma commodity). O mais próximo do real nesse estudo, seria usar também um processo contínuo, para melhor comparação entre os resultados da literatura e os resultados apresentados para a etapa de pré-tratamento. Porém, foi usada uma versão limitada do software, em que apenas 5
equipamentos podiam ser usados, o que limitou o presente trabalho a um desenho de processo em batelada.
Foram feitas simulações para avaliar o balanço de massa e energia da produção de glicose a partir do bagaço. Três cenários foram simulados. Cenário I com Pré-tratamento sulfito/alcalino (licor 10% de Sulfito de Sódio e 5% de NaOH, base bagaço seco) seguido de hidrólise enzimática. Cenário II com pré-tratamento ácido sulfúrico diluído (licor 13,3% de H2SO4, base bagaço seco) seguido de hidrólise enzimática e cenário III, apenas com etapa de
hidrólise enzimática, sem pré-tratamento.
Para a etapa de pré-tratamento com sulfito alcalino, o ideal seria o emprego de um refinador de discos, semelhante ao usado na indústria de polpação quimiotermomecânica que produz papel e celulose. Porém o software é voltado para processos de engenharia bioquímica, mais especificamente na área farmacêutica, tendo algumas adaptações para materiais lignocelulósicos, produção de cerveja, tratamento de efluentes, entre outros. Não há um refinador de disco no banco de dados do SuperPro Designer, assim foi usado um tanque de mistura com capacidade de 120 m³. Os equipamentos utilizados foram os mesmos utilizados por Dias et al (2011) (figura 6).
O fluxograma proposto para os cenários I e II encontram-se na figura 8 (a) e para o cenário III na figura 8 (b).
(a)
(b)
Figura 8. Fluxograma das etapas de pré-tratamento e hidrólise enzimática no bagaço de cana-de-açúcar - (a)
equipamentos usados nos cenários I e II e (b) equipamentos usados no cenário III.
A intenção foi utilizar os mesmos equipamentos para cada cenário, mudando apenas a forma de pré-tratamento (reagentes e tempo de reação). Apesar de os equipamentos utilizados não serem os ideais, foi possível fazer uma comparação de gasto de energia, água e vapor, utilizados em cada cenário.
3.5.1 Dados de entrada no SuperPro Designer
Para o reator de pré-tratamento, foram usadas as operações consecutivas:
a) carregamento de Bagaço e Licor ao mesmo tempo, mas em correntes diferentes (relação s/l 1:10 Cenário I e relação s/l 1:20 Cenário II);
b) aquecimento do reator; c) reação;
d) agitação (desde o carregamento dos reagentes até o fim da reação); e) transferência do material para o primeiro filtro a vácuo de rotação.
Para maior simplificação dos rendimentos das etapas tanto de pré-tratamento quanto de hidrólise enzimática, foi assumido que a massa molar do bagaço é a mesma da celulose, já que o software não possui o componente bagaço em seu banco de dados. A reação (1) foi utilizada nos reatores de pré-tratamento. Para o cenário I, foi considerado o rendimento de sólidos residuais de 60,1% de bagaço (tabela 1), ou 39,9% de conversão de bagaço em licor contendo lignina e hemicelulose solúveis. Para o Cenário II, foi usado o rendimento de sólidos de 53,3% (tabela 2), ou 46,7% de conversão de bagaço em licor contendo predominantemente pentoses.
Bagaço + H2O ---> Licor contendo frações solúveis (reação 1)
Para o reator de hidrólise enzimática foram usadas as operações consecutivas: a) transferência do bagaço pré-tratado do primeiro filtro;
b) resfriamento da mistura a 45°C;
c) carregamento de mistura de enzimas a 45°C; d) reação por 72 h;
e) agitação desde o carregamento de mistura de enzimas até o fim do tempo de reação; f) transferência do material para o segundo filtro de rotação a vácuo.
A reação de hidrólise da celulose usada no reator de hidrólise enzimática, foi a reação C6H10O5 + H2O --> C6H12O6 (tabela 5).
Na quantidade de sólidos transferidos para o reator de hidrólise enzimática, já está descontado a porcentagem que foi dissolvida na etapa de pré-tratamento. Para o cálculo do rendimento de conversão de glucana em glicose no reator de hidrólise enzimática, as porcentagens de glucana no bagaço pré-tratado, 53,3 % no Cenário I (tabela 1), 64,4% no Cenário II e 40,3% de glucana no bagaço in natura ( Cenário III, tabela 1), foram multiplicadas pelos rendimentos de conversão enzimática de glucana em glicose (83,2% ; 63,1% e 32% respectivamente para Cenários I,II e III, tabela 3). A tabela 7 mostra os resultados dessas multiplicações ( 44,24% para Cenário I, 40,57% para Cenário II e 12,90% para Cenário III), além de mais detalhes sobre os dados de entrada no software.
O reator de hidrólise enzimática corresponde à etapa limitante quanto ao tempo de processamento do bagaço até glicose (mais de 72 h de uso). Na tentativa de chegar o mais próximo a um sistema de produção contínua de glicose, 20 reatores de hidrólise enzimática foram colocados em paralelo (função "staggered mode" no SuperPro Designer). Com isso pode-se aumentar a quantidade de bateladas por ano ( Demetri et a., 2011).
Após simulação do processo de cada cenário de obtenção de glicose, o software gera uma variedade de relatórios. Para esse estudo, foram analisados os relatórios de balanço de massa e energia e os gráficos de ocupação de equipamentos.
Depois de obtida a relação kg de glicose/hectare de cana plantada e o custo de obtenção de glicose expresso em R$ /kg de glicose, foi simulado um ganho hipotético de venda de glicose (equação 3). Assumiu-se o preço de venda da glicose, como o maior dos preços de produção encontrado, entre os diferentes cenários, para que os resultados comparativos não fossem negativos.
Tabela 7 Entrada de dados no software SuperPro Designer para os cenários I, II e III de obtenção de glicose a
partir do bagaço de cana de açúcar.
Mistura de enzimas: 1,6% enzimas
98,4 % água
Processo Cenário I Cenário II Cenário III
Pré-tratamento Sulfito Alcalino Ácido Diluído
Sem Pré-tratamento Bagaço 4900 kg/batelada 6545 kg/batelada Licor 98000 kg/batelada Composição do Licor 5 % NaOH - - 10 % Na2SO3 0,7% H2SO4 - 85 % H2O 99,3 % H2O - Tempo de reação 2 h 1,5 h - Temperatura 120 °C 150 °C - Rendimento da reação 40% 47,00% -
Filtração após PT Torta 100 % bagaço 100% bagaço -
Tempo 0,6 h 0,6 h -
Água de lavagem 5 v/vtorta 5 v/vtorta -
Hidrólise Enzimática Bagaço pré-tratado 5999,8 kg/batelada 2597 kg/batelada 6545 kg/batelada Mistura de enzimas 59998,04 L/batelada 25970 kg/batelada 65450 kg/batelada Tempo de reação 72 h 72 h 72 h Temperatura 45°C 45°C 45°C Rendimento da reação 44,23% 40,57% 12,89% Filtração do
Hidrolisado Torta 100 % bagaço 100% 100%
Tempo 0,38 h 0,16 h 0,41 h
4. RESULTADOS
4.1. Escolha do híbrido de cana de açúcar para a simulação de processo.
4.1.1 Pré-tratamento com sulfito alcalino
Os dados disponíveis de produtividade de cana-de-açúcar de diferentes híbridos experimentais e da quantidade de bagaço gerado por tonelada de cana plantada (Tabela 1) (Masarin et al., 2011) permitiu calcular a quantidade de bagaço produzida por hectare (Tabela 8). Foram ainda calculadas as massas de glicose esperadas por hectare de cana plantada com dados das tabelas 1,2 e uso das equações 1 e 2 (tabela 8).
A partir dos dados da tabela 8 notou-se que os maiores valores para obtenção de glicose são obtidos após 72 horas de hidrólise enzimática, comparado com o de 24 horas, como era esperado. A partir dos dados obtidos com 72 h de hidrólise enzimática, foi plotado o gráfico 1.
Gráfico 1. Comparação da quantidade de glicose obtida a partir de diferentes amostras de cana-de-açúcar
submetidas a diferentes concentrações de licor sulfito alcalino no pré-tratamento e hidrólise enzimática por 72h horas.
Observou-se que para a maioria dos bagaços de híbridos de cana, a concentração do licor de 10% Na2SO4 e 5% NaOH proporcionou a maior eficiência de sacarificação da celulose e portanto obtenção da glicose (tabela 8 e gráfico 1).
Quanto ao híbrido utilizado, o híbrido 89 foi o que apresentou maiores resultados em relação a todas as concentrações de reagente sulfito alcalino. Além disso, foi comparado a obtenção de glicose por hectare de cana plantada a partir do bagaço sem pré-tratamento com dados das tabelas e 8 e 9 (gráfico 1). No gráfico 1, foi visto que o híbrido 89 sem pré-tratamento apresentou maiores resultados de conversão de celulose, comparado a todos os outros híbridos submetidos a pelo menos um tipo de pré-tratamento.
Tabela 8 Comparação da obtenção de glicose por hectare de cana plantada, considerando diferentes híbridos de
cana, diferentes concentrações de licor sulfito alcalino para pré-tratamento e diferentes tempos de hidrólise enzimática. Amostra Massa de bagaço (kg) por hectare Massa de celulose ( g) em 100 g de bagaço Massa de celulose (kg ) por hectare Massa de celulose ( g) após PT Rendimento do PT Conversão da celulose em glicose após PT e 72 h de hidrólise Conversão da celulose em glicose após PT e 24 h de hidrólise Massa de glicose (kg) por hectare após PT e 72 h de hidrólise Massa de glicose (kg) por hectare após PT e 24 h de hidrólise % Na2SO3 no Licor MB 12150 5,0 42 5103 45,6 1,09 0,35 0,3 2159 1616 7,5 42 5103 42 1,00 0,55 0,3 3122 1938 10,0 42 5103 40,8 0,97 0,75 0,5 4115 2844 H 140 15470 5,0 38,2 5910 31,2 0,82 0,30 0,2 1604 1321 7,5 38,2 5910 33,5 0,88 0,45 0,3 2599 1952 10,0 38,2 5910 32,9 0,86 0,68 0,6 3869 3189 H 321 6267 5,0 40,4 2532 36,8 0,91 0,39 0,3 1005 787 7,5 40,4 2532 36,5 0,90 0,63 0,5 1594 1193 10,0 40,4 2532 38 0,94 0,83 0,7 2205 1754 H 89 17811 5,0 40,3 7178 33,9 0,84 0,56 0,3 3750 2214 7,5 40,3 7178 33,4 0,83 0,56 0,5 3676 3255 10,0 40,3 7178 32 0,79 0,832 0,66 5269 4194 H58 12090 5,0 40,9 4945 40 0,98 0,36 0,3 1945 1635 7,5 40,9 4945 41,1 1,00 0,50 0,4 2779 2027 10,0 40,9 4945 39,9 0,98 0,84 0,7 4513 3588 H 146 5,0 40,9 1816 39,6 0,97 0,37 0,3 715 573 7,5 40,9 1816 37,8 0,92 0,505 0,447 942 833 10,0 40,9 1816 37,8 0,92 0,86 0,8 1604 1492
