PROPOSTA DE PRODUÇÃO EM ESCALA INDUSTRIAL DE
ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO A PARTIR DA MISTURA DE
RESÍDUOS DA BANANICULTURA UTILIZANDO O SOFTWARE
HYSYS
P. K. SOUZA1, O. SOUZA2, N. SELLIN1, C. MARANGONI3
1
Universidade da Região de Joinville, Mestrado em Engenharia de Processos 2
Universidade da Região de Joinville, Departamento de Engenharia Química 3
Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Blumenau, Departamento de Engenharias E-mail para contato: cintia.marangoni@ufsc.br
RESUMO – A produção de etanol de segunda geração a partir de resíduos gerados na bananicultura ainda é incipiente. A partir da mistura de resíduos da banana (pseudocaule, casca e fruto rejeitado) investigaram-se as necessidades deste processo produtivo em escala industrial. Etapas de pré-tratamento, hidrólise enzimática, concentração do caldo, fermentação e destilação foram implementadas no software Aspen Hysys® considerando-se na alimentação a proporção na qual os resíduos são gerados após colheita. Os parâmetros para avaliação em escala industrial foram definidos conforme a literatura de um processo industrial convencional utilizando cana-de-açúcar. Os resultados obtidos forneceram os requisitos em termos de quantidade necessária dos resíduos, bem como a configuração e condições operacionais do processo para produção de etanol hidratado e anidro. O consumo energético se aproximou dos valores apresentados na literatura, indicando a viabilidade do uso destes resíduos em escala industrial.
1. INTRODUÇÃO
Na busca de minimizar a utilização dos combustíveis fósseis e diversificar a matriz energética, os biocombustíveis produzidos a partir da biomassa são considerados uma das principais alternativas. Dentre estes, se destaca o etanol. Atualmente, com a preocupação de emissões de carbono na atmosfera, o uso deste como combustível apresenta grande apelo energético e ecológico, pois seu elevado teor de oxigênio possibilita uma combustão mais limpa (Mu et al., 2010).
A produção de etanol a partir de resíduos lignocelulósicos (etanol de segunda geração) tem sido estudada com grande interesse nos últimos anos, representando uma alternativa de sustentabilidade ambiental, além de ampliar a oferta de matérias primas e reduzir o conflito do uso de terras produtivas entre a produção de combustíveis ou para a alimentação. Porém, sua produção em
escala comercial ainda não se tornou viável, pois os custos de produção são mais elevados do que aqueles atualmente produzidos (a partir do milho ou cana-de-açúcar) (Moreno et al., 2013).
Dentro deste contexto, destacam-se os resíduos da bananicultura, como as cascas do fruto, o pseudocaule, as folhas e o engaço da bananeira. Estudos preliminares que empregaram técnicas de caracterização química e térmica desses resíduos, bem como a caracterização das suas composições, indicaram o potencial para geração de produtos de natureza combustível e insumos químicos a partir dos mesmos (Schulz et al., 2012; Fernandes et al., 2013).
A obtenção do etanol de segunda geração é constituída basicamente de três partes: preparo do substrato, fermentação e destilação. No preparo do substrato, a matéria-prima é tratada para serem obtidos os açúcares fermentescíveis, mediante o processo de hidrólise química e/ou enzimática. Na fermentação os açúcares serão transformados em álcool e gás carbônico pela ação de micro-organismos, geralmente a levedura Saccharomyces cerevisiae. Na destilação, o etanol é separado do caldo de fermentação e purificado (Dias et al., 2009).
Diferente da produção de etanol a partir da cana-de-açúcar (como é realizado no Brasil), o processo produtivo a partir de resíduos gerados na bananicultura ainda é incipiente. Assim, é importante identificar as necessidades do mesmo para uma escala industrial, visando analisar a sua viabilidade em questões como a quantidade de matérias-primas e insumos, bem como a integração operacional e energética. Com base nisso, este estudo propõe a avaliação do processo de produção do bioetanol a partir de misturas dos resíduos da banana (pseudocaule, casca e fruto rejeitado), em escala industrial, a fim de investigar as necessidades do mesmo através da ferramenta de simulação de processos.
2. METODOLOGIA
Utilizou-se como ferramenta deste estudo o software Aspen Hysys® versão 7.3. Empregou-se o modelo termodinâmico Non-Random-Two-Liquid (NRTL) e a equação de estado Soave-Redlich-Kwong (SRK), sendo o primeiro para o cálculo do coeficiente de atividade da fase líquida, e o segundo para a fase vapor (Dias et al., 2009). Após, implementou-se os componentes: glicose, água, ácido acético, ácido sulfúrico, dióxido de carbono, glicerol, ácido succínico, álcool iso-amílico, amônia, hidrogênio, etanol; e foram criados outros que não estão presentes no simulador: celulose, hemicelulose, lignina, sal, levedura, enzima e hidroximetilfurfural (HMF).
Os dados de composições dos resíduos e concentrações iniciais dos mesmos foram obtidos a partir de trabalhos realizados pelo grupo de pesquisa da Universidade da Região de Joinville, apresentadas na Tabela 1 (Schulz et al., 2012, Gonçalves Filho et al., 2013, Souza et al., 2014). Deve ser mencionado que todos os açúcares redutores foram simulados como glicose e o material não quantificado experimentalmente foi considerado como lignina, pois esta não reage no processo (Dias et al., 2009). Em seguida, as vazões foram calculadas conforme a literatura de um processo industrial convencional utilizando cana-de-açúcar (Dias, 2008; Miranda, 2011). Estas foram obtidas para um
mosto final em torno de 270-280 t/h, a fim de comparar os resultados a partir de um mesmo volume de trabalho da fermentação do processo convencional. Considerou-se na alimentação a proporção na qual os resíduos são gerados após colheita, sendo: 84% de pseudocaule, 12,4% de casca e 2,8% de fruto rejeitado.
Tabela 1 - Frações mássicas e concentrações iniciais para a corrente de entrada dos resíduos
Componentes Pseudocaule Fruto rej. Casca
Lignina 0,337 0,0972 0,0692 Celulose 0,440 0,0098 0,0218 Hemicelulose 0,165 - - Glicose 0,058 0,1920 0,0230 Água (umidade) - 0,7010 0,8860 Concentração inicial do caldo 77,8 g de massa seca/L 250 g massa úmida/L 400 g de casca para 0,2 L de água
As etapas do processo as quais foram implementadas no simulados estão exemplificadas no fluxograma apresentado na Figura 1. As principais considerações de cada etapa estão descritas na Tabela 2, seguido das reações utilizadas. Algumas condições operacionais foram obtidas experimentalmente a partir da escala laboratorial, sendo as simulações validadas de acordo com os mesmos. Esta validação levou em consideração a concentração de açúcar disponível no caldo após as hidrólises, bem como a de etanol produzido após a fermentação, comparando-se os resultados experimentais com aqueles simulados. Já os dados não obtidos experimentalmente foram utilizados e validados de acordo com a literatura existente.
Tabela 2 – Principais condições operacionais de cada etapa do processo
Processo Principais condições operacionais
Hidrólise ácida
Temp.: 120 °C*; Reações: 1, 2 e 3 - conversões 1,76%, 2% e 36%*, respectivamente (Dias et al. 2009 e Gonçalves Filho et al., 2013). Ácido:
2% em relação á massa úmida*. Hidrólise
enzimática
Temp.: 45 °C; Reação: 3 - conversão de 19,4%*; Enzima: 0,114 g de enzimas/g de resíduo tratado (Bereche, 2011).
Concentração Evaporadores de múltiplo efeito (Galatro et al., 2011). Fermentação
Com reciclo das leveduras e lavagem dos gases (Dias et al. 2009). Reações: 4, 5, 6 7, 8 e 9 - conversões 80,4%*, 2,67%, 0,29%, 1,19%, 3,1x10-4%, e
1,37%, respectivamente (Dias et al. 2009 e Souza et al., 2014). Destilação e
desidratação
Semelhante aos processos convencionais observados nas indústrias (Dias et al. 2009 e Miranda, 2011).
* Dados referentes a estudos do grupo de pesquisa da Universidade da Região de Joinville
6 12 6 2 4 8 5H O 2,67H O C H O C SE HEMICELULO (1) O H O H C O H C HMF 2 3 6 6 6 12 6 3 (2) GLICOSE CELULOSE O H C O H O H C6 10 5 2 6 12 6 (3) ) ( 2 ) ( 5 2 ) ( 6 12 6 2 2 g ETANOL aq GLICOSE aq C H OH CO O H C (4) GLICEROL O H C H O H C6 12 6 4 2 3 8 3 (5) H C H O CO H e O H C SUCCÍNICO ÁCIDO 10 10 2 0 2 2 4 6 4 2 6 12 6 (6) H O C H O CO H e O H C ACÉTICO ÁCIDO 8 8 2 2 2 2 2 4 2 2 6 12 6 (7) C H O CO H O H e O H C AMÍLICO ISO ÁLCOOL 15 , 0 15 , 0 155 , 1 025 , 2 795 , 0 5 12 2 2 6 12 6 (8) NH CO CH O N H O H O H C LEVEDURA AMÔNIO ÍON GLICOSE 145 , 0 2087 , 0 1087 , 0 145 , 0 1485 , 0 6 12 6 4 2 1,8 0,9 0,145 2 (9)
Dois parâmetros foram avaliados em relação aos resultados de vazões de etanol nas etapas de destilação e desidratação do etanol: a recuperação do produto (etanol) na coluna de destilação (Rp), conforme a Equação 1, e a perda do produto (etanol) na coluna extrativa (Pp), conforme a Equação 2. 𝑅𝑝 = 𝑋𝐸1 .𝑉𝐴𝐸𝐻𝐶
𝑋𝐸2 .𝑉𝑉𝐼𝑁𝐻𝑂 . (100%) (1) 𝑃𝑝 =(𝑋𝐸1.𝑉𝐴𝐸𝐻𝐶−𝑋𝐸3.𝑉𝐴𝐸𝐴𝐶)
𝑋𝐸1𝑉𝐴𝐸𝐻𝐶 . (100%) (2) Sendo: XE1 a fração mássica de etanol na corrente de etanol hidratado (AEHC); XE2 a fração mássica de etanol na corrente de vinho; XE3 a fração mássica de etanol na corrente de etanol anidro
(AEAC); VAEHC a vazão mássica de etanol hidratado (kg/h); e VVINHO a vazão mássica de vinho (kg/h).
3. RESULTADOS
Os resultados obtidos para as vazões calculadas, bem como as principais frações mássicas do processo estão apresentados nas Tabelas 3 e 4, em comparação com dados da literatura de processos que utilizam cana-de-açúcar.
Tabela 3 – Principais vazões do processo simulado comparando-se com dados da literatura Vazões (t/h) Simulação Dias (2008) Miranda (2011)
Mosto final 271,86 279 276,5 Vinho 252,00 329 - 335 337,7 Vinhaça 48,38 311 - 324 267,8 Álcool de 2° 0,19 - 0,31 Flegmaça 179,42 - 34,25 AEHC 23,52 30 - 35,2 37,02 AEAC 21,97 28,2 - 33,1 34,43
Tabela 4 – Principais frações mássicas (%) do processo simulado comparando-se com dados da literatura
Principais frações mássicas (%) Simulação Dias (2008) Miranda (2011)
Açúcar no caldo para concentrar 2,47 - -
Açúcar no caldo concentrado 25,00 65,00 65,00
Açúcar no mosto final 19,89 22,00 25,00
Etanol no vinho 8,87 8,00-10,00 10,00 Etanol na vinhaça 0,02 0,02 0,02 Etanol no álcool de 2° 92,09 - 93,00 Etanol na Flegmaça 8,30x10-3 ≤ 2,00 ≤ 2,00 Etanol em AEHC 93,50 93,50 94,70 Etanol em AEAC 99,50 99,32 99,50
Na simulação obteve-se 271,86 t/h de mosto final na entrada no fermentador. Para isso, foram necessários 9046 t/h de pseudocaule seco, 52,33 t/h de casca, e 1,58 t/h de fruto rejeitado. Porém, os resíduos também receberam água para diluição e formação do caldo para tratamento. Além disso, o pseudocaule recebeu ácido para a hidrólise ácida, portanto, a vazão final do caldo do pseudocaule foi de 116300 t/h, do caldo da casca foi de 79 t/h e, de fruto rejeitado 6,33 t/h. Estas são, portanto, as vazões de entrada aproximadas para a utilização de resíduos da bananicultura na produção de etanol de segunda geração, em uma rota industrial.
Concentrou-se o caldo inicial a uma fração de 25% de açúcar, que ao misturar à corrente de inóculo, obteve-se teor de açúcar na alimentação do fermentador em 19,89%. A partir desta concentração do caldo obteve como resultado fração mássica de 8,87% de etanol no vinho e vazão de 252 t/h. Dias (2008) utiliza fração mássica de açúcar na fermentação em 22% e de vinho entre 8-10% com vazão entre 329-335 t/h. Miranda (2011) utiliza em torno de 25% de açúcar e teor de etanol em 10% no vinho com vazão de 337,7 t/h. Estes resultados demonstram que a fração mássica de etanol obtida na simulação está de acordo com os processos convencionais utilizados industrialmente, ou seja, é adequada para a viabilidade do mesmo.
As frações de etanol na vinhaça, no álcool de 2° e na flegmaça foram de 0,02%, 92,09% e 0,0083%, respectivamente. Miranda (2011) obteve 0,02% de etanol na vinhaça, 93% no álcool de 2°, e valores inferiores a 2% em massa de etanol na flegmaça. As vazões de etanol hidratado (AEHC) e anidro (AEAC) obtidas na simulação foram de 23,52 t/h e 21,97 t/h, com frações mássicas de etanol de 93,50% e 99,50%, respectivamente, sendo essas frações adequadas para a escala industrial. Outros parâmetros foram comparados com a literatura e estão apresentados na Tabela 5.
Tabela 5 - Principais parâmetros do processo simulado, comparando-se com dados da literatura Parâmetros Simulação Dias (2008) Miranda (2011) Conversão da celulose em glicose (hidrólises) ± 56% 80,6% 80,6%
Conversão de glicose a etanol 81% 90,48% 90,48%
Recuperação de etanol na destilação 91,2% 80-99% - Perda de etanol na coluna extrativa 0,6% 0,11% 2,28%
Analisando, primeiramente, a conversão da celulose em glicose, no processo de hidrólise, percebe-se que os resultados obtidos na simulação são menores do que os dados fornecidos na literatura. Porém, deve-se levar em consideração que, os processos de pré-tratamento e tratamento são diferentes. Enquanto na simulação foram realizados pré-tratamento com ácido diluído seguido de hidrólise enzimática (conforme processo executado pelo grupo de estudos), os autores citados empregaram pré-hidrólise com ácido diluído, água e vapor (processo Organosolv), seguido de deslignificação e hidrólise enzimática. Outro fator que pode influenciar nessa diferença consiste na concentração inicial do resíduo. Por exemplo, Souza et al. (2014) avaliaram a conversão de açúcares a partir da hidrólise ácida seguida de hidrólise enzimática, para o resíduo pseudocaule in natura (11,75 g/L de massa seca) e seco (77,8 g/L de massa seca). No caso da biomassa in natura obtiveram cerca de 82% de conversão, e 60,7% para a biomassa seca. Porém, apesar do resíduo in natura apresentar melhor conversão, continuaram-se as pesquisas com o resíduo seco, devido à maior concentração final de açúcar para este caso. Já Dias (2008) e Miranda (2011) citam em seus trabalhos utilização do bagaço da cana com 50% de umidade.
A recuperação de etanol na coluna de destilação (Rp) para a simulação se mostrou satisfatória, obtendo-se valor de 91,2%, estando este de acordo com a variação encontrada a partir dos dados de Dias (2008), em torno de 80-99%. Em relação à perda de etanol na coluna extrativa (Pp), o resultado obtido na simulação apresentou-se próximo do calculado para Dias (2008), cerca de 0,6% e 0,11%, respectivamente, mas houve grande diferença se comparada com Miranda (2011) cujo
valor encontrado foi de 2,28%. Porém, quanto menor a perda de etanol na coluna, mais otimizado está este processo.
Avaliou-se também as energias consumidas nas etapas do processo, conforme mostrado na Figura 2, juntamente com um comparativo com os dados da literatura. A energia da etapa de destilação se aproximou do valor apresentado por Palacio (2010), e foi cerca de 11,5% menor do que comparado com Miranda (2011). Já comparando a energia da etapa de desidratação, observa-se que para a simulação esta foi cerca de 15,1% menor do que a obtida por Miranda (2011), indicando que o processo está apropriado. Isto porque a fração mássica de etanol na corrente AEHC está adequada para o processo, em torno de 93,5%, sendo esta indicada na literatura para um processo industrial.
Figura 2 – Comparação do consumo energético do processo simulado com dados da literatura
4. CONCLUSÕES
A simulação do processo de produção de bioetanol, em escala industrial, a partir de resíduos da bananicultura mostrou que são necessários 9046 t/h de pseudocaule seco, 52,33 t/h de casca, e 1,58 t/h de fruto rejeitado para se obter 270 t/h de mosto. As vazões de etanol hidratado (AEHC) e anidro (AEAC) obtidas na simulação foram de 23,52 t/h e 21,97 t/h, com frações mássicas de etanol de 93,50% e 99,50%, respectivamente, sendo estes adequados para o processo. O consumo energético de todas as etapas da simulação se aproximou dos valores propostos na literatura. Assim, este trabalho contribuiu para a obtenção de resultados ainda não publicados, podendo-se, então, obter dados importantes para melhorar a eficácia e o andamento do processo de produção de etanol a partir de resíduos lignocelulósicos, e a busca de novas matérias-primas para tal produção.
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