APROVEITAMENTO DA BIOMASSA DE CANA PARA PRODUÇÃO DE BIOETANOL

FACULDADE DE TECNOLOGIA DE ARAATUBA CURSO DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTVEIS

THALES RICARDO TEIXEIRA ALEIXO

APROVEITAMENTO DA BIOMASSA DE CANA PARA PRODUO DE BIOETANOL

Araatuba 2012




Trabalho de Graduao apresentado Faculdade de Tecnologia de Araatuba, do Centro Estadual de Educao Tecnolgica Paula Souza, como requisito parcial para concluso do curso de Tecnologia em Biocombustveis sob a orientao do Prof. Me. Marcus Vinicius Cavalcanti Gandolfi.

Araatuba 2012

Gasmetr

ALEIXO, Thales Ricardo Teixeira Aproveitamento da biomassa de cana para produo de bioetanol / Thales Ricardo

Teixeira Aleixo. -- Araatuba, SP: Fatec, 2012. 61f. : il.

Trabalho (Graduao) Apresentado ao Curso de Tecnologia em Biocombustveis, Faculdade de Tecnologia de Araatuba, 2012.

Orientador: Prof. Me. Marcus Vinicius Cavalcanti Gandolfi

1. Bioetanol 2. Hidrlise 3. Biomassa. II. Ttulo.

CDD 333.9539




Trabalho de Graduao apresentado Faculdade de Tecnologia de Araatuba, do Centro Estadual de Educao Tecnolgica Paula Souza, como requisito parcial para concluso do curso de Tecnologia em Biocombustveis avaliado pela comisso examinadora composta pelos professores

Prof. Me. Marcus Vinicius Cavalcanti Gandolfi Orientador FATEC- Araatuba

Prof. Fabrcio Pereira Semeo FATEC Araatuba

Prof. Dra. Daniela Russo Leite FATEC - Araatuba

Araatuba

2012

minha famlia e pessoa mais importante da minha vida.

AGRADECIMENTOS

Agradeo ao Prof. Me. Marcus Vinicius C. Gandolfi, por ter aceitado ser meu orientador e por ter me indicado o caminho certo para conseguir comear meu projeto.

Ao Prof. Andr Cardines, por ter me proporcionado uma vaga de estgio para que minha concluso de curso fosse possvel.

Agradeo minha famlia, cujo apoio incondicional tornou todo meu esforo de fato importante.

Agradeo Profa. Me. Karenine Miracelly Rocha da Cunha pelas correes do trabalho.

Aos meus colegas de classe, em especial Marco Aurlio Ianner, pelos incentivos e unio.

Agradeo a Dayse, pelo companheirismo, apoio, ajuda e incondicional carinho.

O saber se aprende com os mestres. A sabedoria, s com o corriqueiro da vida. Cora Coralina

RESUMO

O trabalho que se segue demonstra de maneira objetiva os processos envolvidos no aproveitamento da biomassa de cana-de-acar, desde o recolhimento dos resduos da colheita at a gerao de bioetanol com o mtodo de hidrlise. Existe uma ampla gama de estudos feitos sobre esse tema, mas h sempre os entraves da viabilidade econmica, que deve ser provada para que se possa tornar possvel a implementao dessas tecnologias no cotidiano das indstrias de produo de etanol. Pretende-se explicar com essa pesquisa bibliogrfica os mtodos mais avanados para colheita, os pr-tratamentos da matria lignocelulsica, a converso desse material em etanol a partir da hidrlise e possveis idias para implementao do processo nas usinas.

Palavras-chave: Bioetanol. Hidrlise. Pr-tratamento. Biomassa.

ABSTRACT

The work that follows demonstrates objectively the processes involved in the exploitation of the biomass of sugar cane, since the collection of crop residues to the generation of bioethanol with the method of hydrolysis. There is a wide range of studies on this topic but there are always constraints on economic viability must be proved before it can make possible the implementation of these technologies in daily ethanol production industries. It is intended to explain in this literature the most advanced methods for harvesting, the pretreatment of lignocellulosic material, the conversion of this material in ethanol by hydrolysis and possible ideas for implementing the process in plants.

Keywords: Bioethanol. Hydrolysis. Pretreatment. Biomass.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Estoque de bagao .................................................................................................... 15 Figura 2: Campo coberto com palha ....................................................................................... 17 Figura 3: Arranjo da parede celular ......................................................................................... 18 Figura 4: Cadeia linear da celulose.......................................................................................... 18 Figura 5: Monossacardeos constituintes da hemicelulose ...................................................... 20 Figura 6: cidos precursores da lignina .................................................................................. 21 Figura 7: Alternativas de recuperao da palha....................................................................... 23 Figura 8: Sistemas de recolhimento e armazenamento ........................................................... 24 Figura 9: Passagem de pneus nas entrelinhas do plantao de cana-de-acar....................... 25 Figura 10: Passagem de pneus nas entrelinhas da plantao de cana com ETC ..................... 26 Figura 11: Fluxograma de uma usina de cana-de-acar ........................................................ 30 Figura 12: Treminho de cana de acar ................................................................................. 31 Figura 13: Esquema de produo de etanol ............................................................................. 33 Figura 14: Fluxograma de colunas de destilao..................................................................... 34 Figura 15: Reaes de hidrlise............................................................................................... 35 Figura 16: Fluxograma do pr-tratamento ............................................................................... 36 Figura 17: Efeito do pr-tratamento ........................................................................................ 36 Figura 18: Fluxograma da produo de etanol a partir da hidrlise ........................................ 42 Figura 19: Esquema simplificado Processo SHF ................................................................. 43 Figura 20: Esquema simplificado Processo SSF .................................................................. 44 Figura 21: Esquema simplificado Processo SSCF ............................................................... 44 Figura 22: Esquema simplificado Processo CBP ................................................................. 45 Figura 23: UDP da Dedini em Pirassununga-SP ..................................................................... 46 Figura 24: Processo Organosolv (DHR) .................................................................................. 47 Figura 25: Processo de hidrlise e processo convencional integrados .................................... 49

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Composio Mdia de Bagao ............................................................................. 16 Tabela 2: Custo de recuperao da palha base seca (USS/t) ............................................. 23 Tabela 3: Tabela de Custos (Mecanizada Convencional e ETCs) ...................................... 27 Tabela 4: Concentrao de Slidos Totais, Acares totais e Acares redutores no bagao de cana-de-acar por solubilizao em gua quente e fria ................................................. 28 Tabela 5: Concentrao de Extraveis .................................................................................. 29 Tabela 6: Percentual dos componentes das amostras secas e livres de extraveis solveis .. 29 Tabela 7: Fluxo de caixa com concentrao de slidos de 15% .......................................... 52 Tabela 9: Fluxo de caixa com concentrao de slidos de 25% .......................................... 53 Tabela 10: Premissas gerais do estudo para a anlise econmica ........................................ 54 Tabela 11: Fluxo de caixa e ndices VPL e TIR para uma planta de 1 gerao ................. 55 Tabela 12: Fluxo de caixa e ndices VPL e TIR para uma planta combinada (1 e 2 gerao) ................................................................................................................................ 55

SUMRIO

INTRODUO ........................................................................................................................ 12 1. A BIOMASSA DE CANA ................................................................................................... 14 1.1 Bagao de cana .................................................................................................................. 14 1.2 Palha ou resduos da colheita ............................................................................................. 16 1.3 Celulose, hemicelulose e lignina ........................................................................................ 17

1.3.1 Celulose ....................................................................................................................... 18 1.3.2 Hemicelulose ............................................................................................................... 19 1.3.3 Lignina ......................................................................................................................... 21

1.4 Novas tecnologias para melhoramento na colheita mecanizada, recolhimento e armazenamento da biomassa .................................................................................................... 22

1.4.1 Trfego controlado ...................................................................................................... 25 1.4.2 Estruturas para o trfego controlado ............................................................................ 26

1.5 Viabilidade para produo de bioetanol ............................................................................. 27 2. PRODUO ATUAL DE ETANOL .................................................................................. 30

2.1 Recepo/preparo/moagem ............................................................................................ 31 2.2 Tratamento de caldo ....................................................................................................... 32 2.3 Destilaria ......................................................................................................................... 32

3. NOVA TECNOLOGIA DE PRODUO DE ETANOL: HIDRLISE ............................ 35 3.1 Pr-tatamento da biomassa ............................................................................................. 35 3.1.1 Pr-tratamento mecnico ............................................................................................. 37

3.1.2 Pr-tratamento fsico .................................................................................................... 37 3.1.3 Pr-tratamento qumico ............................................................................................... 38

3.1.4 Pr-tratamento biolgico ............................................................................................. 39 3.2 Hidrlise de materiais lignocelulsicos .......................................................................... 40 3.2.1 Hidrlise cida ............................................................................................................. 40 3.2.2 Hidrlise enzimtica .................................................................................................... 41

4. IMPLEMENTAO DA HIDRLISE EM UMA USINA DE CANA DE ACAR ..... 42 4.1 Fermentao do hidrolisado da biomassa ....................................................................... 42 4.1.1 SHF Hidrlise e fermentao separadas ................................................................... 43 4.1.2 SSF Hidrlise e fermentao simultneas ................................................................ 43 4.1.3 SSCF Hidrlise e fermentaes simultneas integradas ........................................... 44

4.1.4 CBP Bioprocessamento consolidado ........................................................................ 45 4.2 Mtodos testados ............................................................................................................ 45 4.2.1 Processo Dedini hidrlise rpida DHR ..................................................................... 45 4.2.2 Projeto etanol celulsico - CTC................................................................................... 47 4.3 Exemplo de insero do processo de hidrlise a uma usina de cana-de-acar ............. 48 4.4 Anlise da viabilidade econmica.........................................................................................48 4.4.1 Aspectos gerais ............................................................................................................48 4.4.2 Estudo da viabilidade econmica ................................................................................49

CONSIDERAES FINAIS ................................................................................................... 55 REFERNCIAS ....................................................................................................................... 58

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INTRODUO

Na matriz energtica atual, o uso dos combustveis fossis (petrleo, seus derivados e o carvo mineral), vem sendo questionado por fatores econmicos, ambientais, polticos e estratgicos. O Brasil tem recebido destaque proporcionando assim uma tima alternativa, que so os biocombustveis, em especial o bioetanol. Vrios fatores indicam que isso totalmente possvel, segundo os estudos do Centro de Gesto e Estudos Estratgicos, (2009) devido:

a. elevada produtividade da cana-de-acar em relao a outras matrias-primas devido a energia obtida por unidade de rea ocupada;

b. reduo da emisso de gases do efeito estufa, graas gradual substituio dos combustveis fossis pelo bioetanol;

c. chance da diminuio das barreiras comerciais impostas pelos pases desenvolvidos sobre o bioetanol, por conta da alta produo e demanda, o que, conseqentemente, poder tornar esse combustvel uma commodity ;

d. grande quantidade de terras que ainda podem ser cultivadas, alm do reaproveitamento de reas degradadas (pastagens);

e. alta nos preos do petrleo, que torna o bioetanol mais competitivo no mercado quando comparado a gasolina;

f. aos efeitos socioeconmicos causados pela expanso do setor, que iro potencializar o emprego e a renda;

g. expanso da produo de biodiesel, que exige, de acordo com a opo brasileira, o etanol para a transesterificao .

De acordo com o Centro de Gesto e Estudos Estratgicos (2009), h poucos exemplos na histria da humanidade, e do Brasil em particular, de uma conjuntura de tantos fatores convergentes favorveis a um projeto nacional desenvolvimentista, como o caso da expanso da produo de bioetanol combustvel.

E h vrias maneiras de expandir essa produo, como por exemplo, aumentando a rea cultivada. Seria a escolha mais lgica a se seguir, entretanto haveria falta de eficincia, j que sobrariam os resduos que atualmente no so aproveitados em sua totalidade, que so a palha e as sobras do corte da cana, como o ponteiro. Vale ressaltar, que ainda existem os excedentes de bagao que se acumulam nas usinas.

Com tudo isso, a melhor alternativa seria aumentar a produtividade de lcool por hectare de cana plantada, para tal existem duas rotas. A primeira rota prev o

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desenvolvimento de novas variedades de cana, com maior rendimento de sacarose, permitindo uma efetiva fermentao e conseqente aumento na produo de lcool. A segunda seria a utilizao dessa biomassa (a palha e o bagao), originada na colheita e aps a extrao do caldo da cana respectivamente, para a produo de etanol.

Assim, o objetivo deste trabalho, demonstrar as maneiras de se utilizar estes materiais lignocelulsicos para se conseguir produzir etanol, cujo processo mais pesquisado hoje seria a hidrlise, no qual colocaremos o mesmo como pioneiro, mas ainda assim com grande potencial para se tornarem totalmente viveis economicamente e ambientalmente.

Mas, antes, para chegarem produo em si, interessante mostrar de onde vem, do que composto, como pode ser recolhido e qual o potencial para produo de etanol desses materiais, o que essencial para demonstrar quanto importante como essa rea de pesquisa pode ver a ser amplamente desenvolvida.

Aps isso, segue-se rea de produo, em que h uma explicao breve sobre o atual mtodo de gerao de etanol a partir da fermentao do caldo extrado da cana-de-acar e conseguinte destilao do material produzido.

Posteriormente, sero explicadas as novas tecnologias de produo de etanol, caracterizando os processos de hidrlise e possveis pr-tratamentos para os materiais lignocelulsicos. No ltimo captulo, depara-se a parte de implementao desses processos nas usinas atuais, como integrar de maneira vivel esses mtodos ao fluxo da usina e tambm alguns exemplos sobre plantas com escalas semi-industriais que j esto em funcionamento, alm de outras que j chegaram a escalas piloto, e um breve demonstrativo da viabilidade econmica dessa produo.

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1. A BIOMASSA DE CANA

O setor sucroenergtico possui atualmente o maior potencial para produo de etanol a partir do hidrolisado de materiais lignocelulsicos, j que existe um excesso de resduos e subprodutos da produo de etanol e acar que poderiam ser utilizados, tais como: o bagao de cana e a palha.

Conforme escrito por Soares (2011), as usinas e destilarias so, na maioria, auto-suficientes na gerao de energia trmica, eltrica e mecnica, gerando excesso de bagao e, portanto, permitindo a utilizao do mesmo no processo de hidrlise. Alm disso, tambm possuem infraestrutura para tratamento de efluentes slidos, lquidos e gasosos, bem como servios de apoio produo e as facilidades para estocagem e movimentao, esses fatores asseguram uma elevada atratividade para produo de etanol a partir do bagao.

1.1 BAGAO DE CANA

A quantidade de bagao produzida, na safra de 2011/2012 em que as usinas brasileiras processaram cerca de 588,9 milhes de toneladas de cana gerando um total de 164,9 milhes de toneladas de bagao. Portanto, fica evidente que existem quantidades vultuosas de bagao, conforme figura 1, que podem ser utilizadas em atividades mais nobres do que a gerao de energia por queima ou mesmo por gaseificao (PITARELO, 2007).

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Figura 1: Estoque de bagao

Fonte: BRASIL AGRICOLA NEWS, 2011

Para que seja possvel o aproveitamento do bagao de cana devemos saber a definio e a composio; antes de demonstrarmos a sua estrutura qumica. Existem fatores que influenciam na sua composio. Tais como (SOARES, 2011):

a. a realizao ou no do despalhe do canavial (queima), prvio ao corte; b. os procedimentos de colheita e carregamento, com menor ou maior

arraste de terra, areia e resduo vegetal; c. o tipo de solo onde a cana cultivada (latossolo, solos arenosos, etc); d. os diferentes processos de limpeza da cana: a seco, por revolvimento em

mesas, limpeza com lavagem por corrente de gua e limpeza pneumtica, influi tambm a geometria e outros detalhes construtivos das mesas de revolvimento, assim como a relao de volume de gua aplicada por toneladade cana (caules aps corte);

e. a eficincia dos equipamentos de extrao influi diretamente sobre os acares residuais do bagao.

O bagao de cana-de-acar basicamente a frao da biomassa restante dos processos de limpeza, preparo e extrao do caldo da cana, composta por feixes de fibras e outras estruturas elementares. No uma biomassa homognea, por apresentar variaes em sua composio e na estrutura morfolgica, em funo dos processos no campo e na indstria (SOARES, 2011).

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A tabela 1 apresenta a composio qumica do bagao. Por ser uma proporo mdia, no deve ser considerada fixa para todo bagao, j que os fatores acima podem causar variaes.

Tabela 1: Composio Qumica Mdia de Bagao COMPONENTES %

Glicose 19,50 Xilose 10,50 Arabinose 1,50 Galactose 0,55 Lignina 9,91 Organosolveis 2,70 Acares Redutores 1,85 Cinzas 1,6 Umidade 50,00 Hexoses Totais 20,04 Pentoses Totais 12,00

Fonte: SOARES, 2011

Existem trs componentes bsicos nele de acordo com a tabela acima, que so: celulose (Hexoses), hemicelulose (Pentoses) e a lignina; as quais sero abordados mais detalhadamente no decorrer deste trabalho.

1.2 Palha ou resduos de colheita

Esses resduos so as folhas verdes, as folhas secas e o ponteiro da cana, que comumente so utilizadas como cobertura para proteo do solo e seu excesso queimado no campo (SOARES, 2011). Para se ter uma noo da quantidade desse material remanescente, retorna-se ao exemplo dado da quantidade de bagao produzida na safra de 2011/12 no Brasil em que s de palha foram gerados 82,4 milhes de toneladas, ou seja, tambm grande a quantidade de palha gerada (PITARELO, 2007). Segue-se a figura 2, onde mostrado a vasta cobertura de resduos no campo.

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Figura 2: Campo coberto com palha

Fonte: CPT, 2011

A composio da palha assemelha-se muito do bagao no que se diz respeito ao teor de celulose e hemicelulose, quanto lignina, aproximadamente 30% menor que o bagao, j no teor de cinzas mostra-se o dobro (SOARES, 2011).

1.3 Celulose, hemicelulose e lignina

Esses trs compostos so a base estrutural da parede celular de qualquer planta superior. As estruturas microfibrilares da celulose encontram-se embebidas em uma matriz composta de hemicelulose e lignina, cuja funo exatamente de agir como uma barreira natural degradao enzimtica e microbiana.. Na figura 3 podemos ver claramente o arranjo tpico da parede celular.

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Figura 3: Arranjo da Parede Celular

Fonte: MURPHI e MACCARTHY, 2009

1.3.1 Celulose

A celulose um homopolissacardeo linear que consiste em unidades de glicose unidas por ligaes glicosdicas do tipo (14), cujo tamanho determinado pelo grau de polimerizao (DP) que varia de 100 a 2000 DP. A figura 4 representa a cadeia linear da celulose, formada de vrias unidades consecutivas de celobiose (SILVA, 2010a).

Figura 4: Cadeia Linear da Celulose

Fonte - PITARELO, 2007

Em sua estrutura supramolecular, a celulose apresenta regies altamente ordenadas, denominadas cristalinas, estabilizadas por numerosas ligaes de hidrognio intra e intermoleculares e reas menos ordenadas ou amorfas, onde as cadeias apresentam uma orientao randomizada (PITARELO, 2007). A maioria dos autores sugere que a rea menos ordenada da celulose, a amorfa, a parte mais suscetvel a hidrlise, devido a sua maior rea superficial.

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A rea cristalina possui duas fases alomrficas: a celulose triclnica e a celulose monoclnica, sendo que cada espcie vegetal possui uma composio caracterstica entre estas duas fases. A estrutura monoclnica termodinamicamente mais estvel que a triclnica. Por isso, nos processos de converso de biomassa a altas temperaturas, a forma triclnica convertida em monoclnica parcialmente. A princpio a celulose mantida inalterada no produto final do processo de converso (PITARELO, 2007).

As longas cadeias de glicose, combinadas a formar microfibrilas com dimetro entre 4-10 nm em eletromicrofibrilas tornam a celulose resistente. O conjunto de microfibrilas, que so organizadas em lamelas para formar a estrutura fibrosa das vrias camadas da parede celular vegetal. As microfibrilas de celulose so revestidas com hemicelulose e embebidas em lignina, formando os materiais lignocelulsicos (SILVA, 2010a).

1.3.2 Hemicelulose

As hemiceluloses so heteropolissacardeos cuja qumica natural varia de tecido para tecido e de espcie para espcie vegetal. Estes polissacardeos so formados por uma grande variedade de monossacardeos incluindo pentoses, hexoses e cidos urnicos. Geralmente, elas se dividem em quatro classes: (a) cadeias sem ramificaes, tais como (1-4) ligadas xilanas ou mananas; (b) cadeias helicoidais, tais como (1-3) ligadas xilanas, (c) cadeias ramificadas, tais como (1-4) ligadas galactoglucomananas, e (d) substncias pcticas. Algumas hemiceluloses, particularmente heteroxilanas, tambm mostram um considervel grau de acetilao (RAMOS, 2003). Na figura 5 podemos ver os monossacardeos que formam a hemicelulose.

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Figura 5: Monossacardeos constituintes da hemicelulose

LEGENDA: D-Glucose (1), D-Galactose(2), L-Arabinose(3), D-Xilose(4), D-Manose(5), 4-O-Metil-D-Glucornico(6) e L-Ramnose(7)

Fonte: PITARELO, 2007

As estruturas acima esto mais relacionadas com a celulose do que a lignina e so depositadas na parede celular em um estgio anterior de biosntese. Apesar da complexidade desses polissacardeos, sua estrutura parece ser geralmente em forma de bastonete, com filiais e cadeias laterais dobradas para trs da cadeia principal por meio de ligaes de hidrognio. Esta estrutura de haste facilita sua interao com celulose, resultando em uma associao forte que d grande estabilidade ao agregado. (RAMOS, 2003)

O contedo da hemicelulose em plantas macias e duras difere significantemente. As de plantas duras so na sua maioria composta de heteroxilanas altamente acetiladas, geralmente classificados como 4-O-metil glucuronoxilanas. Hexanas tambm esto presentes, mas em quantidades muito baixas como glicomananas. Devido s caractersticas cidas e suas propriedades qumicas, xilanas de plantas duras so relativamente lbeis hidrlise cida e podem sofrer auto-hidrlise em condies relativamente suaves. Em contraste, resinosas tm uma maior proporo de glicomananas parcialmente acetiladas e galactoglucomananas, e xilanas correspondem a apenas uma pequena frao do seu contedo hemicelulsico total. Como resultado, hemiceluloses de plantas macias (principalmente hexanas) so mais resistentes hidrlise cida do que hemiceluloses de madeiras resistentes (principalmente pentosanas) (RAMOS, 2003).

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1.3.3 Lignina

Lignina um dos polmeros mais abundantes na natureza e est presente na parede celular. um heteropolmero amorfo composto por trs diferentes unidades de fenilpropano (cido p-cumarlico, cido coniferilco e cido sinapilco) que so mantidos juntos por diferentes tipos de ligaes. A finalidade principal da lignina dar planta suporte estrutural, impermeabilidade e resistncia contra o ataque microbiano e estresse oxidativo. O heteropolmero amorfo tambm no solvel em gua e sopticamente inativo. Tudo isto faz com que a degradao de lignina seja muito difcil (HENDRIX e ZEEMAN, 2009). Na figura 6 vemos a estrutura dos trs cidos precursores da lignina.

Figura 6: cidos precursores da lignina


A lignina, como a hemicelulose, normalmente comea a se dissolver em gua em torno de 180 C em condies neutras. A solubilidade da lignina em ambientes cidos, solues neutras ou alcalinas depende de seu precursor (cido p-cumarlico, cido coniferlico e cido sinaplico ou combinao de ambos) (HENDRIX e ZEEMAN, 2009).

Entendendo ento a composio dos materiais lignocelulsicos, possvel discutir sua viabilidade para produo de bioetanol e tambm formas de recolhimento do material, facilitando e barateando os custos, tornando o processo em si mais vivel economicamente.

lcool coniferlico lcool sinaplico lcool p-cumarlico

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1.4 Novas tecnologias para melhoramento na colheita mecanizada, recolhimento e armazenamento da biomassa

Para que se tornem viveis as novas tecnologias para aumento da produo de bioetanol devem criar meios para disponibilizar a maior quantidade possvel de biomassa nas usinas, as alternativas que sero citadas a seguir so para colheita mecnica sem queima da cana, o que permite a recuperao de uma boa parte da palha que fica nos canaviais (CENTRO DE GESTO E ESTUDOS ESTRATGICOS, 2009). Na figura 7 segue um esquema simplificado das alternativas.

a. alternativa 1 - Ventiladores da colhedora ligados: o palhio deixado no campo, onde enfardado e transportado at a usina para ser posteriormente picado antes da queima;

b. alternativa 2 - A colhedora de cana est com os ventiladores de limpeza desligados: o palhio transportado junto com a cana e a separao entre eles ocorre em uma Estao de Limpeza a Seco instalada na usina;

c. alternativa 3 - O sistema de limpeza secundrio da colhedora est desligado e o sistema primrio trabalha em uma velocidade reduzida: conseqentemente ocorre somente uma limpeza parcial da cana durante a operao de colheita, deixando uma camada pouco densa no cho, onde o palhio transportado junto com a cana separada em uma Estao de Limpeza a Seco instalada na usina.

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Figura 7: Alternativas de recuperao da palha

Fonte: CENTRO DE GESTO E ESTUDOS ESTRATGICOS, 2009

A tabela 2 demonstra o custo das trs alternativas. Percebe-se que a alternativa dois possui um valor muito maior que as outras. Isso acontece por conta dos aumentos de custo do transporte da cana que vai at usina juntamente com a palha, sendo ento separada. O problema consiste na pouca quantidade de palha levada at a usina por vez.

Tabela 2: Custo de recuperao da palha base seca (USS1/t) Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3

Palhio posto na usina2 9,61 23,23 2,74

Separao entre o palhio e a cana

- 2,79 3,69

Processamento do palhio 0,89 0,85 1,14

Custo total 10,5 26,87 7,57


Deve-se atentar para os meios de armazenamento da palha aps seu recolhimento. Para isso foram analisados seis cenrios com o objetivo de identificar aqueles que proporcionam a melhor relao custo-benefcio. As anlises contemplaram a produtividade de

1 1 US$ = R$3,00

2 Para a alternativa 1, esto includas as seguintes operaes enleiramento, carregamento/descarregamento e

transporte. Para a 2 e 3 as operaes so: transporte interno(transbordo) e transporte at a usina.

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cada composio, com sua respectiva demanda de investimento e os custos operacionais (CENTRO DE GESTO E ESTUDOS ESTRATGICOS, 2009).

Conforme o Centro de Gesto e Estudos Estratgicos (2009), as trs condies de armazenamento estudadas foram: palhio empilhado a cu aberto, palhio armazenado em galpo de lona inflvel e o palhio armazenado em silos plsticos (silo bolsa). Para viabilizar o armazenamento, os dois sistemas de recuperao empregados foram: colheita integral (cana + palhio, colhidos e transportados juntos, com separao em unidade de limpeza a seco na usina) e palhio enfardado, utilizando uma enfardadora. A Figura 8 apresenta as seis composies analisadas.

Figura 8: Sistemas de Recolhimento e Armazenamento


Para que essas alternativas sejam aplicadas, importante a no utilizao das queimadas como meio para colheita da cana. Portanto, deve-se mecanizar totalmente a mesma, de forma que seja possvel implantao do plantio direto. Para que isso acontea, o sistema atual de colheita mecanizada deve ser aprimorado, e j existem algumas idias que podero ser aprovadas para solucionar isso, embora no sejam solues para agora j que no esto totalmente desenvolvidas.

As duas idias so as seguintes: desenvolvimento das colhedoras-2L com corte simultneo de duas linhas, de forma a reduzir o pisoteio a 50% do valor atual e diminuir a restrio topogrfica de mecanizao de 12% para 22% e a introduo das Estruturas de Trfego Controlado (ETCs) com bitola extralarga, de 20m a 30m, com restrio topogrfica da ordem de 40% e que viabiliza a introduo da tcnica de plantio direto (CENTRO DE GESTO E ESTUDOS ESTRATGICOS, 2009).

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1.4.1 Trfego Controlado

Deve-se lembrar que so estruturas que serviro para um trfego controlado de mquinas sobre solo, evitando a compactao do mesmo.

O mtodo de trfego controlado mantm trilhas compactadas permanentemente, evitando assim o custo associado ao crculo vicioso de compactao e descompactao praticado no sistema de Plantio Convencional. Na mecanizao convencional, o trfego, mesmo que controlado, atinge faixas com 0,8m de largura, espaadas de 1,5m, ou seja, aproximadamente 50% da rea atingida pelos pneus ou esteiras dos equipamentos de colheita ou transporte. As bitolas estreitas dos tratores e colhedoras promovem a condio de trfego ilustrada na Figura 9, onde cada pequeno retngulo representa a passagem de duas rodas, o que indica que existem entrelinhas de plantio pelas quais trafegam 32 pneus durante o ciclo de produo da cana planta. Deve-se destacar que, para viabilizar o Sistema de Plantio Direto na cana-de-acar, torna-se necessrio um sistema de mecanizao que reduza drasticamente o trfego com relao ao Sistema de Mecanizao Convencional atualmente em uso (CENTRO DE GESTO E ESTUDOS ESTRATGICOS, 2009).

Figura 9: Passagem de pneus nas entrelinhas do plantao de cana-de-acar


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1.4.2 Estruturas para o Trfego Controlado

O Plantio Direto, se combinado com o trfego controlado com bitolas maiores, da ordem de 10m ou 15m, deve resultar em reduo de custos, ganhos de produtividade e reduo nas perdas de solo. A Figura 10 mostra uma estrutura de bitola larga, denominada de Estruturas para Trfego Controlado (ETC), em que o trfego fica em linhas especficas para essa funo, muito compactadas, sendo que o restante da rea no recebe trfego e fica exclusivamente para a planta, sem compactao. Nessa imagem, o trfego atinge uma em

cada 10 entrelinhas de plantio e, com apenas 50% de sua largura, o que representa 5% da rea total, ou seja, 1/10 da rea trafegada no cultivo convencional, mesmo com controle de trfego. O nmero de passadas indicado na figura 10 do sistema de Plantio Direto, fator que tambm contribui para reduzir bastante o trfego (CENTRO DE GESTO E ESTUDOS ESTRATGICOS, 2009).

Figura 10: Passagem de Pneus nas entrelinhas da plantao de cana com ETC


Para demonstrar a viabilidade econmica da utilizao deste tipo de estrutura foram feitas simulaes comparando investimentos e custos de operao para a colheita mecanizada convencional com a ETC. Os clculos foram feitos a partir de uma destilaria padro com capacidade de 2.000.000 t/safra e 170 dias teis de safra. Em ambos os casos, foram considerados o sistema de cana picada operando com carretas de transbordo puxadas por tratores. Na tabela 3 demonstra-se a comparao e, com isso, pode-se ver que existe uma

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reduo de custo de at 15% com base num custo de produo 40R$/tc (CENTRO DE GESTO E ESTUDOS ESTRATGICOS, 2009).

Tabela 3: Tabela de Custos (Mecanizada Convencional e ETCs)

Operao Convencional (5

Cortes) ETC (5 Cortes)

Cana Planta ETC (10 cortes)

1- Subosolagem 88,3 0,0 0,0 2- Arao 79,6 0,0 0,0 3- Gradagem 34,0 0,0 0,0 4- Plantio 243,7 214,8 214,8 5- Colheita 451,0 270,1 270,1 6- Transbordo ou

empilhadora 282,6 39,8 39,8

100% 44% 44% Cana Soca

7- Colheita 1807,6 1080,5 2431,2 8- Transborodo ou

empilhadeira 1130,3 159,3 358,4

100% 72% 65% 9- Total (R$/ha) 4117,1 1764,5 3314,3 10- Total (R$/tc) 21,2 15,3 13,8

Fonte: CENTO DE GESTO E ESTUDOS ESTRATGICOS, 2009

1.5 Viabilidade para produo de bioetanol

No trabalho de Pitarelo (2007) avaliou-se a viabilidade qumica do bagao e da palha de cana-de-acar, ou seja, o teor de slidos totais, acares redutores e totais, e das cinzas. As anlises foram feitas na palha e nos dois tipos de bagao (de colheita manual e no mecanizado). As anlises foram feitas em extratos aquosos das duas variedades de bagao, submetidos lavagem com gua quente e outras amostras com gua fria. No foi realizada na palha a mesma espcie de extrao, pois a quantidade de sacarose relativamente baixa e tambm por conter muitos metablitos secundrios, que so componentes no glicdicos que no esto ligados parede celular na composio da planta, denominados extrativos. So

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substncias de baixa massa molar que so responsveis pela defesa da planta contra organismos invasores e sntese de macromolculas estruturais e de reserva (PITARELO, 2007), que acabam por atrapalhar na anlise. Na tabela 4 mostra-se a concentrao desses componentes nos dois tipos de bagao (PITARELO, 2007).

Tabela 4: Concentrao de Slidos Totais, Acares totais e Acares redutores no bagao de cana-de-acar por solubilizao em gua quente e fria


Depois disso, foram realizadas extraes com solventes dos metablitos secundrios. Foram utilizados diclorometano (DCM), etanol/tolueno (EtOH/Tol), etanol (EtOH) e gua e aps extrao, foi feita uma espectrometria com infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) chegando-se a tabela 5 que demonstra a quantidade desses extraveis (PITARELO,2007). O termo FTIR se refere a uma tcnica de anlise para colher o espectro infravermelho mais rapidamente. Em vez de se coletar os dados variando-se a freqncia da luz infravermelha monocromtica, a luz IV (com todos os comprimentos de onda da faixa usada) guiada atravs de um interfermetro. Depois de passar pela amostra, o sinal medido o interferograma. Realizando-se uma transformada de Fourier no sinal resulta-se em um espectro idntico ao da espectroscopia IV convencional (dispersiva) (ROCHA DA LUZ, 2003).

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Tabela 5: Concentrao de Extraveis


Aps a retirada desses metablitos, foi possvel, ento, se fazer a anlise das amostras secas de bagao manual e mecanizado e da palha, para que fosse possvel determinar a quantidade de lignina e dos principais monmeros constituintes dos polissacardeos. A tabela 6 ento indica o teor destes elementos (PITARELO, 2007).

Tabela 6: Percentual dos componentes das amostras secas e livres de extraveis solveis

Componente Bagao Mecanizado Bagao Manual Palha Anidroglucose3 41,8 0,2 42,1 0,3 34,4 0,2 Anidroxilose4 17,5 0,2 17,2 0,2 13,4 0,1

Anidroarabinose4 2,5 0,1 2,6 0,1 1,9 0,1 Grupo Acetil4 3,2 0,1 3,1 0,2 2,1 0,1

Lignina Insolvel5 29,4 0,1 30,0 0,2 39,7 0,2 Lignina Solvel 1,3 0,1 1,4 0,1 1,0 0,1

Hidroximetilfurfural 0,4 0,1 0,4 0,1 0,2 0,1 Furfural 2,9 0,1 2,9 0,1 3,1 0,2

Total 99,0 99,7 95,8 Fonte - PITARELO, 2007

O teor de cinzas nas amostras de bagao mecanizado, manual e a palha foram de respectivamente 3,1%, 2,4% e 11,7%. V-se que nos bagaos a semelhana continua, mas na palha existe uma significante diferena e esse teor muito alto de cinzas pode ser considerado um problema para pr-tratamento (PITARELO, 2007).

3 Presente no bagao e na palha como componentes das -(1-4)-D-glucanas (celulose);

4 Presente no bagao e na palha como componentes das heteroxilanas (hemiceluloses);

5 Lignina insolvel e lignina solvel em cido sulfrico diludo.

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2. PRODUO ATUAL DE ETANOL

A indstria de cana-de-acar pode ser dividida nas seguintes sees: recepo/preparo/moagem, tratamento do caldo, fbrica de acar, destilaria de etanol, utilidades, disposio de efluentes e estocagem dos produtos, das quais as partes de recepo/preparo/moagem, tratamento de caldo e destilaria sero as abordadas, j que constituem a sequncia de produo do etanol, que o foco desse captulo (CENTRO DE GESTO E ESTUDOS ESTRATGICOS, 2009). Entretanto importante que seja demonstrado todo o fluxograma industrial de produo tanto de acar quanto de etanol, o que possvel se ver no diagrama da figura 11.

Figura 11: Fluxograma de uma usina de cana-de-acar

Fonte: BNDES E CGEE, 2008

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2.1 Recepo/preparo/moagem

Aps o corte, a cana transportada rapidamente para a usina. A figura 12 ilustra o mtodo para o transporte da cana. Com exceo de algumas empresas que utilizam algum transporte fluvial, o sistema de transporte baseado em caminhes, cuja capacidade de carga varia de 15 a 60 t. Uma vez na usina, a cana em geral lavada (somente a cana inteira) e segue para o preparo, onde ela picada e desfibrada. A extrao do caldo se realiza sob presso de rolos em moendas, montada em conjunto com quatro a sete ternos por moenda. O caldo, que contm a sacarose, separado da fibra. Ou pode ser realizada atravs de difuso, onde o colcho de cana percolado por gua quente, dissolvendo, por lixiviao, os acares e, no final, a mesma passa por um rolo de secagem no qual sai o bagao. Extrado na moenda ou no difusor, o caldo contendo os acares da cana ser destinado produo de acar ou bioetanol (BNDES e CGEE, 2008).

Figura 12: Treminho de Cana de Acar

Fonte: BNDES E CGEE, 2009

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2.2 Tratamento de caldo

Na produo de acar o caldo extrado peneirado e tratado quimicamente para coagulao, floculao e precipitao das impurezas, que so retiradas por decantao. O caldo ento concentrado em evaporadores e cozedores para cristalizao da sacarose. Os resduos do decantador ou o lodo passam por filtros rotativos, onde so recuperados os acares formando a torta de filtro, que utilizada como adubo (BNDES e CGEE, 2009).

Nem toda a sacarose cristalizada e a soluo restante, rica em acar, retorna ao processo na tentativa de recuperar o acar remanescente. Aps esses retornos se forma o mel final, que no retorna ao processo, mas ainda contm sacarose e uma grande quantidade de acares redutores (a maior parte glicose e frutose), que ser utilizada na fermentao para produo de bioetanol (BNDES e CGEE, 2009).

2.3 Destilaria

A produo de bioetanol de cana-de-acar pode ser feita com apenas o caldo tanto quanto com misturas de mel final e caldo. As primeiras etapas do processo de fabricao de etanol, da recepo da cana ao tratamento inicial do caldo, so semelhantes ao processo de fabricao do acar. Mas, alm desses tratamentos, o caldo passa pelo aquecimento e decantao. Depois de tratado, ele evaporado para ajustar sua concentrao de acares, e na maioria das vezes, misturado ao mel final, formando assim o mosto, uma soluo aucarada e pronta para ser fermentada (BNDES e CGEE, 2009). Na figura 13 se v a sequncia de processos que ocorrem na destilao.

O mosto vai para a fermentao, onde adicionada leveduras (espcie Saccharomyces cerevisae), fermentado por um perodo de 8 a 12 horas, formando o vinho (mosto fermentado, com uma concentrao de 7 a 10 GL). As leveduras do vinho so recuperadas mediante centrifugao. As leveduras so tratadas para haver novo ciclo, enquanto o vinho enviado para as colunas de destilao (BNDES e CGEE, 2009).

Na destilao, o bioetanol preparado inicialmente como hidratado, com aproximadamente 96GL, correspondentes a cerca de 4% de gua em peso, deixando a vinhaa como resduo, normalmente entre 10 a 13 litros por litro de bioetanol hidratado

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produzido. Nesse processo, outras fraes lquidas tambm so separadas, dando origem aos lcoois de segunda e ao leo fsel. O etanol hidratado ento enviado para a coluna de desidratao ou vai para estocagem, porm o mesmo consiste numa mistura azeotrpica na qual seus componentes no podem ser separados por uma simples destilao (BNDES E CGEE, 2009).

Figura 13: Esquema de produo de Etanol


A desidratao do etanol realizada com a adio do solvente monoetilenoglicol ou o MEG , formando uma mistura azeotrpica ternria, com ponto de ebulio inferior ao do

Fermentao

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etanol anidro. Na coluna de desidratao ou C, o solvente adicionado no topo, e o etanol anidro retirado na parte inferior da coluna, com aproximadamente 99,7 GL ou 0,3% de gua no seu volume. A mistura ternria retirada do topo condensada e decantada, enquanto a parte rica em gua enviada coluna de recuperao de solvente ou coluna P. A desidratao do etanol ainda pode ser feita por adsoro com peneiras moleculares ou pela destilao com cicloexano (BNDES e CGEE, 2009). A figura 14 esquematiza a sequncia de colunas de destilao.

Figura 14: Fluxograma de Colunas de Destilao

Fonte: ALBUQUERQUE E FONTES, 2008

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3. NOVA TECNOLOGIA DE PRODUO DE ETANOL: HIDRLISE

A hidrlise uma reao orgnica ou inorgnica em que a gua faz uma troca dupla com outros compostos. Ainda inclui, entre outras reaes, a saponificao de cidos graxos e outros steres, inverses de acares, quebra de protenas. Na figura 15 so mostradas algumas reaes de hidrlise simplificadas (BARCZA, 2002).

Figura 15: Reaes de Hidrlise

Fonte - BARCZA, 2002

Sero descritos a seguir cinco tipos de hidrlise, e em todos os casos so realizadas em fase lquida ou vapor. Entretanto, a fase vapor a que vem se destacando cada vez mais na indstria, os cinco tipos so (SOARES, 2011): hidrlise pura, hidrlise bsica, hidrlise cida, hidrlise enzimtica e fuso alcalina a alta temperatura.

Existem cinco tipos, entretanto daremos ateno a dois, pois so os que provavelmente vo ser utilizados para produo de etanol. Os dois tipos so a hidrlise cida e a enzimtica. Mas antes de explicar a hidrlise em si, importante entender os processos de pr-tratamento da biomassa para que a mesma seja possvel ou mesmo que possa conseguir melhores rendimentos.

3.1 Pr-tratamento da biomassa

O pr-tratamento da biomassa necessrio por conta das fortes ligaes entre os compostos que formam a biomassa, o objetivo principal do pr-tratamento desorganizar a estrutura do material, aumentando sua porosidade e permitindo que as enzimas ou os cidos (dependendo do tipo de hidrlise) atuem melhor. Segundo Silva (2010b) para que o pr-tratamento seja satisfatrio o mesmo deve atender as seguintes finalidades: melhorar a formao de acares ou a capacidade de futura formao de acares pela hidrlise, evitar a

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degradao ou perda de carboidratos, evitar a formao de co-produtos que inibam a hidrlise e ter baixo custo. Na figura 16 est ilustrado o fluxograma do processo de pr-tratamento da biomassa.

Figura 16: Fluxograma do Pr-tratamento

Existem basicamente quatro tipos de pr-tratamento: o mecnico, fsico, o qumico e o biolgico, alm da combinao de alguns, mas qualquer que seja o tipo, ele deve apresentar o efeito que mostrado na figura 17 de maneira simplificada.

Figura 17: Efeito do Pr-tratamento

Fonte: MOSIER, 2005

Celulose Lignina

Hemicelulose

Pr-tratamento Amorfa

Regio

Regio

Cristalina

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3.1.1 Pr-tratamento Mecnico

Esta considerada a primeira parte do pr-tratamento, em que a cana lavada, picada, desfibrada e moda restando a biomassa em si, que ser encaminhada aos processos qumicos. O objetivo principal desse pr-tratamento lavar e desorganizar estruturalmente o material, permitindo os pr-tratamentos qumicos (ROSA e GARCIA, 2009).

3.1.2 Pr-tratamento Fsico

O pr-tratamento fsico pode ser chamado tambm de trmico, pois basicamente o aquecimento da biomassa, causando quebra das ligaes de hemicelulose e lignina solubilizando-as na soluo. considerado dois tipos principais de pr-tratamento fsico, por exploso a vapor e termo-hidrlise, mas se considera uma temperatura mdia entre de 180 e 250 C para que haja separao dos compostos (HENDRIKS e ZEEMAN, 2008).

3.1.2.1 Exploso a Vapor

Durante esse tratamento, a biomassa colocada em uma dorna com vapor de alta temperatura e aplicada presso por alguns minutos. Depois de certo tempo, o vapor liberado e a biomassa resfriada e despressurizada rapidamente. Isso solubiliza a hemicelulose, tornando a celulose mais acessvel s enzimas e evitando a formao de inibidores (HENDRIKS e ZEEMAN, 2008).

3.1.2.2 Termo-Hidrlise

praticamente igual ao de exploso a vapor, a diferena que utiliza-se gua ao invs de vapor. O objetivo o mesmo tambm. A vantagem a possibilidade de solubilizar mais a hemicelulose, j que se injeta uma quantidade maior de gua do que de vapor. A desvantagem

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est exatamente no aumento do consumo de gua e conseqentemente dos custos da indstria (HENDRIKS e ZEEMAN, 2008).

3.1.3 Pr-tratamento Qumico

O pr-tratamento qumico pode ser feito com diferentes tipos de compostos, que so basicamente trs: cidos, alcalinos, e oxidantes. Todos com o mesmo objetivo do pr-tratamento fsico, solubilizar a hemicelulose e a lignina.

3.1.3.1 cidos

um tipo de tratamento qumico que emprega cido sulfrico diludo, ntrico ou clordrico. A utilizao do cido sulfrico com uma concentrao de 0,5% a 1,5% e temperaturas acima de 160C tem sido mais bem aceita na indstria, pois obtm melhores resultados quando se trata de concentrao de acar das hemiceluloses. Aps realizada a reao deve-se remover o cido ou neutraliz-lo, para que o mesmo no atrapalhe a fermentao (HAMELINCK, 2004)

3.1.3.2 Alcalinos

Esse mtodo utiliza bases como hidrxido de sdio e hidrxido de clcio. Estas bases removem completamente a lignina e parcialmente a hemicelulose, deixando a celulose livre para as reaes de hidrlise. O reator para se fazer esse processo custa menos do que o de tratamento cido por no ser to abrasivo. Em compensao, esses compostos so mais caros e usados em concentraes maiores, alm de possveis problemas ambientais que podem causar, elevando custos com o tratamento de resduos, e tambm pode haver problemas a prpria biomassa, que pode absorver as bases e dificultar a fermentao (HAMELINCK, 2004).

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3.1.3.3 Oxidantes

O mtodo oxidativo consiste na mistura de perxido de hidrognio ou cido peractico biomassa num meio aquoso, vrias reaes ocorrem como substituio eletroflica, deslocamento de cadeias laterais ou clivagens. Algumas vezes o oxidante no seletivo, causando perdas de celulose e hemicelulose, alm da possvel formao de inibidores, dependendo de qual oxidante utilizado (HENDRIKS e ZEEMAN, 2008).

3.1.4 Pr-tratamento Biolgico

Nesse mtodo so utilizados fungos para solubilizar a lignina. Foi citado em 1984 como um possvel futuro, apesar de ainda naquela poca possuir custo elevado e com baixo retorno mesmo aps grande tempo de reao, alm da contaminao dos microrganismos. Suas vantagens so a menor utilizao de energia e condies de ambiente menos severas para que ocorra (presso, temperatura...), porm seu baixo rendimento para hidrlise impede sua implementao (HAMELINCK, 2004).

3.1.5 Pr-tratamentos Combinados

So vrios os pr-tratamentos que combinam elementos fsicos e qumicos, porm sero atentados apenas dois, os quais vm se demonstrando os mais importantes em relao ao tratamento da biomassa para hidrlise de biomassa de cana. Os dois mtodos so: exploso de CO2 e de Exploso da Fibra via Congelamento com Amnia ou EFCA (Amnia Fiber, Freezer Explosion ou AFEX).

O mtodo EFCA feito com um reator em temperaturas de 160 a 180 C e presso alta se introduzem a biomassa e o reagente (soluo de amnia 5 a 15C). Depois do tempo de reao de poucos minutos, se faz o resfriamento com descompresso rpida. Os pontos negativos deste processo so o custo da amnia e a degradao dos acares. Assim, a

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viabilidade econmica do processo estar ligada diretamente recuperao da amnia (SILVA, 2010a).

O processo de exploso com CO2 parecido com o EFCA, a nica diferena consiste no fluido utilizado que o CO2 causando a formao de cidos, ocasionando a hidrlise da hemicelulose. A vantagem deste processo o custo inferior ao EFCA, porm seu rendimento menor do que o de exploso a vapor (SILVA, 2010a).

3.2 Hidrlise de materiais lignocelulsicos

Obter bioetanol com materiais lignocelulsicos envolve a hidrlise dos polissacardeos da biomassa em acares fermentavis e, aps isso, sua fermentao para se produzir bioetanol, para que isso seja possvel, a hidrlise utiliza mtodos cidos e/ou enzimticos, pois mesmo que seja posssvel a hidrlise com gua, a mesma muito lenta e com poucos resultados inferiores. Os dois mtodos sero explicados a seguir, para separar os acares e retirar a lignina (BNDES e CGEE, 2008).

3.2.1 Hidrlise cida

Existem basicamente dois tipos de hidrlise com cidos: as diludas e concentradas. O que envolve solues cidas diludas o mais antigo, no qual a biomassa dissolvida em soluo cida com concentrao volumtrica de 0,1 a 5%, sempre com presso e temperatura altas (180 a 215C), suas vantagens so a menor quantidade de cido empregada, o menor tempo de reao por conta das altas temperaturas e tambm a baixa interferncia na fermentao, pois o pH se mantm num patamar neutro (PAULA, 2009).

J as desvantagens so a formao de resduos da decomposio dos acares devido a alta temperatura, causando menor rendimento, e alta quantidade de energia utilizada. Por conta disso, surgiram mtodos com concentraes maiores de cido e menores temperaturas (PAULA, 2009).

O mtodo funciona da mesma maneira que o anterior, a diferena a concentrao volumtrica que passa a ser de 30 a 70% e a temperatura, que fica entre 25 e 120 C. As vantagens so o baixo custo dos reatores, j que as condies ambientais permitem o uso de

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materiais menos resistentes conseqentemente mais baratos desde que sejam resistentes a corroso. A desvantagem que o pH mais baixo da soluo pode impedir a fermentao dos acares. Desta forma, estudam-se maneiras de separar o cido e os acares por meio de membranas de troca inica, alm da recuperao e reconcentrao dos cidos por evaporadores de mltiplas etapas (PAULA, 2009).

3.2.2 Hidrlise Enzimtica

Segundo Campos e seus colaboradores (2011) a hidrlise enzimtica est sendo alvo de muitas pesquisas, j que possui algumas vantagens em comparao ao processo feito com cidos o processo feito com cidos, pois no forma reaes secundrias nem inibidores, alm de no precisar de condies ambientais muito intensas (temperatura e presso suaves) e nem causar corroso dos equipamentos. Todavia tambm possui suas desvantagens, que esto relacionadas ao seu tempo de reao que considerado alto e seu custo elevado.

O processo feito por um complexo enzimtico formado por trs grupos especficos de celulases, que so: as endoglucanases, exoglucanases e as -glucosidases (SILVA, 2010b). Sobre as quais vamos redigir mais adiante sobre o que fazem, pode-se considerar que todas so produzidas por fungos e bactrias, das quais os microrganismos principais para degradao da biomassa de cana so o Aspergillus nger e o Trichoderma reesei (AGUIAR, 2010).

So as endoglucanases que iniciam a hidrlise e que solubilizam o polmero celulsico, devido sua fragmentao em molculas menores, as endoglucanases hidrolisam de forma aleatria as regies internas da estrutura da fibra celulsica, liberando oligossacardeos e, dessa forma, novos terminais (AGUIAR, 2010).

As exoglucanases so divididas em celobiohidrolases e glucanohidrolases. As glucanohidrolases, mesmo raras, possuem um papel muito importante na hidrlise, j que liberam glicose diretamente do polmero. J as celobiohidrolases liberam celobiose (dmero de glicose) a partir das extremidades da celulose. Essas celulases participam no incio da hidrlise e responsvel pela amorfognese, um processo que causa ruptura fsica do substrato promovendo aumentos na taxa de hidrlise da celulose, por tornar as regies cristalinas mais expostas s celulases. Existem tambm as -glucosidases, que fazem a hidrlise da celobiose e dos oligossacardeos, transformando-os em glicose (AGUIAR, 2010).

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4. IMPLEMENTAO DA HIDRLISE EM UMA USINA DE CANA DE ACAR

Para que seja possvel a implementao da hidrlise na produo de bioetanol, deve ser entendido primeiro os mtodos de hidrlise combinada com fermentao os quais possuem maior viabilidade de aplicao e tambm mtodos que j vm sendo testados com resultados satisfatrios e a insero do processo de hidrlise em uma usina. Na figura 18, mostrado um fluxograma do processo de hidrlise seguido da fermentao e destilao.

Figura 18: Fluxograma da produo de etanol a partir da hidrlise

Fonte: BNDES;CGEE, 2008

4.1 Fermentao do hidrolisado da biomassa

Nesta fase do processo, o hidrolisado fermentado pela levedura Sacharomyces cerevisiae, transformando acares em etanol, CO2 e outros subprodutos (lignina) em menores quantidades, a fermentao pode ser feita de quatro maneiras: do modo Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF), Separate (or Sequential) Hydrolysis and Fermentation (SHF), hidrlise e fermentao concomitantemente (SSCF) e o modo CBP ( Bio processamento consolidado), que vo ser explicados a seguir. O hidrolisado da hemicelulose, com alto teor de pentoses, tambm pode ser convertido a etanol ou modificado geneticamente para esta finalidade. O processo baseia-se na sacarificao por meio de enzimas e fermentado tambm pela levedura Sacharomyces cerevisiae (CAMPOS et al, 2011).

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4.1.1 SHF Hidrlise e Fermentao Separadas

A hidrlise da celulose e da hemicelulose so realizadas em dois reatores e a fermentao dos hidrolisados (pentoses e hexoses) feita num prximo reator. A vantagem desse mtodo que tanto a hidrlise quanto a fermentao chegam a resultados timos j que no existe inibio entre um processo e outro. A desvantagem consiste no acmulo de acares secundrios produzidos na hidrlise, que causam inibio das enzimas na fermentao. Na figura 19 demonstrado um processo simplificado do mtodo SHF (HAMELINCK, 2004).

Figura 19: Esquema Simplificado Processo SHF

Fonte: HAMELINCK, 2004

4.1.2 SSF Hidrlise e Fermentao Simultneas

Nesse processo, a hidrlise da celulose e hemicelulose e a fermentao do hidrolisado so realizados no mesmo reator. Entretanto, as pentoses resultantes da hidrlise da hemicelulose no so capazes de ser fermentadas nesse reator e desta forma se destinaro para outro para que seja feita a fermentao. Aps isso, o etanol produzido se destina destilao. Nesse mtodo as enzimas tm menores possibilidades de serem inibidas, j que a glicose liberada j fermentada logo em seguida, o que favorece tambm os rendimentos da hidrlise

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e diminui a chance de contaminao (CASTRO e PEREIRA, 2010). Na figura 20 v-se um esquema do mtodo SSF.

Figura 20: Esquema Simplificado Processo SSF


4.1.3 SSCF: Hidrlise e Fermentaes Simultneas Integradas

Esse processo se assemelha ao SSF, diferindo-se na integrao da fermentao tanto das hexoses quanto das pentoses com a hidrlise da celulose e da hemicelulose. Ou seja, todo o processo ocorre num mesmo reator, facilitando instalao e evitando a inibio das enzimas. Na figura 21 o fluxograma ilustrado (CASTRO e PEREIRA, 2010).

Figura 21: Esquema Simplificado Processo SSCF

Fonte HAMELINCK, 2004

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4.1.4 CBP: Bio processamento consolidado

Este considerado o mtodo mais avanado para hidrlise e fermentao que, diferentemente dos outros processos, consiste na produo de enzimas (celulases) no mesmo reator simultaneamente a hidrlise e fermentao, com isso reduzindo consideravelmente os custos com produo de enzimas e aquisio de reatores. Na figura 22 pode-se visualizar o fluxograma do processo resumidamente (LYND, 1996).

Figura 22: Esquema Simplificado Processo CBP


4.2 Mtodos testados

Apesar dos incentivos por parte dos rgos pblicos do Brasil para pesquisa e desenvolvimento de tecnologias para produo de bioetanol, neste trabalho iremos destacar apenas duas pesquisas: o projeto Dedini Hidrlise Rpida (DHR) e o Projeto Etanol Celulsico do CTC.

4.2.1 Processo Dedini Hidrlise Rpida DHR

Basicamente esse processo consiste na dissolvio da lignina no material lignocelulsico atravs de um solvente aquo-orgnico, seguido da hidrlise da celulose e da hemicelulose para posterior fermentao e produo de etanol, podendo ser feito tanto com

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hidrlise cida quanto enzimtica, j que possui boa flexibilidade para os estgios do processo. Para se testar essa tecnologia foi instalada, em 2002, na cidade de Pirassununga-SP, uma Unidade de Desenvolvimento de Processos (UDP) com capacidade de 5000 litro por dia. (CGEE, 2009). Na figura 23 expe-se uma foto da Unidade.

Figura 23: UDP da Dedini em Pirassununga-SP

Fonte: OLIVRIO, 2004

A combinao adequada de altas temperaturas e menor tempo de reao fazem a sacarificao da biomassa ocorrer rapidamente e foram testados vrios solventes. Devido alta disponibilidade e baixo custo, optou-se pelo uso de uma mistura de 75% de etanol e 25% de gua como solvente que apresentaram bom resultado na dissoluo (CGEE, 2009). De acordo com Soares (2011), o processo feito da seguinte maneira:

a. o bagao requer operaes fsicas para remoo de matria mineral inerte: terra, areia, partculas magnticas e material estranho.

Requer tambm a separao de fraes por tamanho, para melhor eficincia no pr-tratamento e na hidrlise;

b. o pr-tratamento do material e a hidrlise, so realizados simultaneamente em um nico reator;

c. o resfriamento rpido do caldo Organosolv, permite controlar as reaes secundrias de decomposio das pentoses a furfural, e das hexoses a 5- hidroximetilfurfural;

d. uma destilao separa o etanol no topo da torre e este retorna ao processo. A lignina precipita medida que a fase orgnica vai diminuindo

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seu teor em etanol, sendo recolhidos no fundo da coluna uma mistura de hidrolisado com os acares e lignina;

e. a matria em suspenso (lignina predominante) removida do caldo para no interferir na fermentao;

f. nesta primeira verso do processo DHR, o licor de hidrlise fermentado junto com o misto de caldo, xarope e mel da Usina, dispensando tratamentos de remoo de produtos secundrios da hidrlise que inibem a fermentao.

Os resultados obtidos so considerados satisfatrios, j que a taxa mdia de acares redutores totais convertidos chega a 88% e produo de etanol alcana 80 litros por hectare de cana. Na figura 24 demonstrado um fluxograma bsico do processo Organosolv da Dedini (SILVA, 2010b).

Figura 24: Processo Organosolv (DHR)

Fonte: OLIVRIO, 2004

4.2.2 Projeto Etanol Celulsico - CTC

O CTC (Centro de Tecnologia Canavieira) iniciou, em 2007, um projeto para se obter o etanol de segunda gerao em todas as outras usinas brasileiras. Esse projeto j possui patente junto aos rgos do governo e visa a produo de etanol e de energia eltrica por conta das prioridades das usinas (CTC, 2010).

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Para o desenvolvimento deste processo, o CTC trabalha em conjunto com vrias parcerias, entre elas a Novozymes, a maior produtora mundial de enzimas, alm de equipes de especialistas na rea e equipamentos de ltima gerao situados em Piracicaba. Em 2009 foi instalada uma Unidade de Desenvolvimento de Processo. O planejamento do projeto prev a instalao de uma planta de demonstrao em uma unidade industrial at o fim de 2012.

A idia conseguir uma produo at 40% maior de etanol sem aumentar rea de plantio e manter a autosuficincia energtica (CTC, 2010).

4.3 Exemplo de insero do processo de hidrlise a uma usina de cana-de-acar

De acordo com estudos do Centro de Gesto e Estudos Estratgicos (2009), estabeleceu-se um modelo para a unio do processo de hidrlise ao de uma usina convencional empregando-se os excedentes de bagao como matria-prima. Para isso, foram consideradas algumas condies como: supresso das queimadas e utilizao apenas de colheita mecanizada, recuperao da palha e dos resduos da colheita levando-se em conta que as tecnologias de hidrlise j esto disponveis. A figura 25 apresenta o fluxograma desse estudo.

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Figura 25: Processo de Hidrlise e Processo Convencional Integrados

Fonte: CGEE, 2009

4.4 Anlise da viabilidade econmica

Primeiramente ser realizado um breve resumo dos aspectos gerais de como se chegar aos resultados e, aps isso, possveis resultados onde ser explicitado sucintamente dois exemplos de anlise de viabilidade.

4.4.1 Aspectos gerais

A estimativa de custos na anlise e sntese de processos uma atividade imprescindvel, pois para se decidir qual projeto escolher, depois de satisfeitas as restries tcnicas, ambientais, logsticas, ser sempre tomada atravs de uma anlise econmica.

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Existem vrios tipos de estimativa, dependendo da finalidade da mesma e do nvel de atualizao do projeto e so elas (TURTON et al., 1998):

a. estimativa da ordem de grandeza: baseada no conhecimento de custos similares de uma planta j existente. Os custos dos equipamentos so calculados usando fatores de escala e correo com a inflao;

b. estudo de estimativa: baseada no conhecimento dos principais equipamentos, incluindo bombas, compressores, turbinas, colunas, vasos, aquecedores, trocadores de calor. Cada equipamento dimensionado de modo preliminar e o custo determinado. Requer PFD do processo e os custos so tomados a partir de grficos ou correlaes;

c. estimativa preliminar: os equipamentos so

dimensionados com mais preciso; baseada em dados suficientes para fazer um oramento: layout, tubulaes, instrumentao, utilidades e eletricidade. Necessitam do PFD, diagramas de elevao, etc.;

d. estimativa definitiva: baseada em quase todos os dados finais: especificao de todos os equipamentos, utilidades, instrumentao, eletricidade e facilidades. Requer PFD final, desenhos dos vasos, diagramas de elevao, balano de massa e energia, e Piping & Instrumentation Diagram (P&ID) preliminar; faltando apenas detalhes;

e. estimativa detalhada: engenharia completa do processo e todas as facilidades e utilidades. Oramento de todos os fornecedores dos equipamentos mais dispendiosos. No fim desta etapa deve ser iniciada a construo. Requer o PFD e P&ID finais, e todos os demais diagramas.

Os termos PFD e P&ID tem o seguinte significado: PFD um diagrama comumente utilizado na engenharia para indicar o fluxo geral de processos de construo e equipamento, exibindo a relao entre equipamento principal de uma instalao de fbrica, mas no mostra pequenos detalhes, tais como tubulao e denominaes. O P&ID um diagrama de tubulao e instrumentao, uma ilustrao esquemtica da relao funcional dos componentes de equipamentos de instrumentao, tubulaes e sistema (ENGINEERING TOOLBOX, 2011).

De acordo com Rodrigues (2007), o clculo da anlise econmica deve seguir o procedimento descrito: clculo do custo dos equipamentos, preos dos produtos e matrias-

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prima, as utilidades anuais e custo anual do produto, com isso permitindo que alcance um fluxo de caixa satisfatrio.

Um Valor Presente Lquido (VPL) maior ou igual a zero, torna o investimento atraente as empresas Esse instrumento um dos mais utilizados para avaliar propostas de investimentos como essa da produo de etanol, medido pela diferena entre o valor das entradas de caixa e o valor das sadas de caixa, a determinada taxa de desconto (BREALEY, MYERS E ALLEN, 2008).

Existe tambm a Taxa Interna de Retorno (TIR), que basicamente igual ao VPL. A diferena que por ser uma taxa de juros a mesma ter que igualar a entrada e sada de caixa resultando em zero, porm esses clculos dependem de uma Taxa Mnima de Atratividade (TMA) o qual definida como uma taxa mnima de juros que o investidor, no caso as usinas, desejam obter de retorno de investimento, caso no alcance o mnimo que as mesmas exigem o projeto j pode ser rejeitado (DE LIMA, 2011).

4.4.2 Estudo da viabilidade econmica

Para a demonstrao dos clculos sero utilizadas obras de dois autores que identificaram resultados diferentes, de acordo com suas variveis.

No primeiro exemplo, avaliado por Rodrigues (2007), a hidrlise realizada a do tipo cida e as variveis utilizadas so a concentrao de slidos e a quantidade de bagao que entra no sistema: cerca de 13332 kg/h de bagao para 15% de concentrao de slidos e 8000 kg/h para 25% , e nos dois casos a produo de etanol aproximada de 200 l/h.

Com os valores anteriores, a venda do etanol e do furfural (um subproduto da hidrlise cida) e os custos gerados pela implantao do projeto e sua operao, fizeram-se os clculos, gerando os resultados de fluxo de caixa relatados na tabela 7 (para concentrao de 15%) .

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Fonte: RODRIGUES, 2007

Na tabela 8 apresenta os resultados para uma concentrao de 25% de slidos.

Tabela 7: Fluxo de caixa com concentrao de slidos de 15%

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Tabela 8: Fluxo de caixa com concentrao de slidos de 25%

Fonte: RODRIGUES, 2007

Com as tabelas pode-se calcular o retorno do investimento, perodo de pagamento do investimento e o retorno lquido, obtendo um resultado favorvel para a concentrao de 15% de slidos que de 15,3% de retorno de investimento, portanto considerado que a concentrao de 25% apresenta resultados tambm positivos (RODRIGUES, 2007).

Com isso, de acordo com o estudo de Rodrigues (2007), a produo de etanol de segunda gerao com concentraes de slidos de pelo menos 15% (valor considerado conservador) vivel economicamente.

No segundo exemplo, o estudo de caso de Pinto (2010), compara a produo de etanol de 1 e 2 gerao. Vale ressaltar que os dois tipos de produo so combinados assim gerando um resultado final de viabilidade. Os dados de produo so os seguintes:

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a. para o de 1 gerao cerca de 2 milhes de toneladas de cana moda, 88 litros de etanol por hora produzidos e 176 mil m de etanol ao ano;

b. o de segunda gerao a mesma quantidade de cana moda, mas uma produo de 162,8 litros de etanol produzidos por hora totalizando um total de 325 mil m anuais.

Considerando os valores acima, os custos de mo de obra, matria-prima, de produo, despesas tributrias, administrativas e com as vendas, foi elaborada a tabela 9 demonstrada a seguir.

Tabela 9: Premissas gerais do estudo para a anlise econmica

Fonte: PINTO, 2010.

Com esses dados e depois aps a realizao dos clculos, foi possvel chegar aos resultados para a produo de etanol de 1 gerao e a produo para uma planta combinada, os respectivos fluxos de caixa e ndices VPL, TMA e TIR so mostrados nas tabelas 10 e 11.

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Tabela 10: Fluxo de caixa e ndices VPL e TIR para uma planta de 1 gerao

Fonte: PINTO, 2010

Logo se percebe um valor negativo para os ndices VPL e TIR, o que torna esse projeto, via anlise desses ndices, invivel para implantao.

Tabela 11: Fluxo de caixa e ndices VPL e TIR para uma planta combinada (1 e 2 gerao)

Fonte: PINTO, 2010

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Nesse caso tambm se percebe que os valores so negativos e, portanto, tambm torna esse projeto invivel economicamente, mas com uma anlise de sensibilidade, percebeu-se que se o etanol fosse vendido a um preo 42,8% maior do que o proposto inicialmente pelo autor, isso o tornaria vivel (PINTO, 2010). Finalizando, o autor prope estudos mais profundos nessa rea para que seja possvel chegar aos resultados esperados.

Conforme visto anteriormente, os dois casos demonstraram atravs de clculos e tabelas a viabilidade econmica, porm foram divergentes nos seus resultados, pois o primeiro apresentou retorno positivo (RODRIGUES, 2007) e o segundo negativo (PINTO, 2010).

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CONSIDERAES FINAIS

A produo de etanol celulsico possui ainda algumas questes a serem resolvidas, como a obteno de matria-prima, o mtodo mais eficaz de hidrlise e fermentao a ser empregado e tambm a questo da unio deste processo ao mtodo convencional de obteno do etanol.

Embora no seja considerado vivel economicamente, alguns estudos como os vistos anteriormente vm demonstrando que o processo de obteno de bioetanol de segunda gerao pode ser possvel e com resultados satisfatrios o suficiente para torn-lo vivel e at mesmo lucrativo, mesmo havendo ainda alguns obstculos a serem derrubados.

Portanto, fica claro que iminente a utilizao deste processo pelas usinas de cana-de-acar, pois a cada dia que se passa almejada maior produo, altos rendimentos, e sempre com inovaes tecnolgicas contnuas.

Sendo assim, o desenvolvimento de pesquisas para essa tecnologia de produo de etanol por hidrlise do bagao de fundamental importncia, para que assim seja possvel gerar mais etanol e energia de maneira sustentvel.

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APROVEITAMENTO DA BIOMASSA DE CANA PARA PRODUÇÃO DE BIOETANOL