Produtos Industriais a partir de resíduos de Madeira e Fibras

________________________________________________________Valorização de Resíduos Agroindustriais - Prof. Maria Alice Z. Coelho

Produtos Industriais a partir de resíduos de Madeira e Fibras

As indústrias madeireira, serrarias e mobiliário, produzem resíduos a partir do beneficiamento de toras, a saber: casca, cavaco, costaneira, pó de serra,

maravalha e aparas.

Os resíduos florestais, obtidos a partir de um manejo correto dos projetos de reflorestamento, pode incrementar a produtividade energética futura das florestas.

Potencial energético dos resíduos da extraçãoflorestal no mundo = 35 EJ/ano (10GW)

Poder calorífico: 11,3 MJ/kg (madeira nativa) - Pará e Mato Grosso8,8 MJ/kg (madeira plantada) - São Paulo, Paraná, Santa Catarina e

Rio Grande do Sul

Brasil: estima-se que a indústria de celulose e papel gere~ 5 Mton de resíduos sem aproveitamento energético


A Madeiramaterial orgânico, sólido, de composição complexa onde predominam as fibras de celulose (40 – 50%) e hemicelulose (15 – 25%) unidas por lignina (15 – 30%)usualmente classificada como madeira dura ou madeira macia:madeira macia - madeira de coníferas (pinho) madeira dura - madeira de árvores latifoleadas (carvalho)

softwood hardwood


Produção de Papel e Celulose


Processo Industrial - Kraft

Rendimento: 44 – 49% do material brutoPolpa resultante: 80% celulose, 10% hemicelulose

e 10% lignina

T = 150 – 170 oCP = 7 – 11 bart = 1.5 – 2 h


Processo LyocellN-methylmorpholine-N-oxide (NMMO)T = 90 - 120 oC


Valorização dos Resíduos 1. Energética:

Direta – queimaIndireta – produção de carvão (combustão lenta e incompleta madeira)

produção de etanol (hidrólise dos polissacarídeos e fermentação)

2. Química: Térmica – pirólise; gaseificação; liquefaçãoNão - térmica (xiloquímica) – hidrólise (produção de glicose e furfural)

hidrogenação (fenólicos)

Pirólise: decomposição térmica quase na ausência de ar (< 10%)600 – 800 oCprodutos – carvão vegetal (38%); alcatrão (fenol, benzol, guaiacol,

cresol, etc.) (10%); ácido pirolenhoso(ácido acético, metanol e acetona) (33%);gases (CO e CO2) (20%)

70.000 t/ano – produção francesa

No Brasil as instalações existentes são projetadas quasesempre para aproveitar somente o carvão vegetal, perdendo-se os voláteis condensáveis e não condensáveis


Valorização dos Resíduos Liquefação: hidrogenação na qual a matéria orgânica é misturada com um

solvente em presença de um catalisador em alta pressão e temperatura moderada, obtendo-se um produto líquido de baixo peso molecular (com grupamentos fenólicos ou hidroxilas – função do solvente usado)

produção de polímeros

Gaseificação: decomposição térmica com quantidades limitadas de ar (20 – 80%)


Valorização dos Resíduos

Gaseificação: Utilizações do gás produzido



Valorização dos Resíduos

Lignina: resíduo da produção de celulose (licor de digestão da polpa) – 50 x 106 t/anométodo mais empregado – biopolpação (permite reaproveitamento)outros – produção de compostos aromáticos tais como vanila, eugenol, etc.

produção de enzimas oxidativas por fungos da podridão branca


Reciclagem de papel Redução dos custos das matérias-primas:

a pasta de aparas é mais barata que a celulosede primeira.

Economia de Recursos Naturais- Madeira: 1 ton de aparas pode substituir de 2 a 4 m3 de madeira, conforme o tipo de papel a ser fabricado, o que se traduz em uma nova vida útilpara 15 a 30 árvores.- Água: Na fabricação de 1 ton de papelreciclado são necessários apenas 2.000 litrosde água (no processo tradicional, o volume pode chegar a 100.000 litros / ton)-Energia: Em média, economiza-se metade da energia, podendo-se chegar a 80% de economia quando se comparam papéisreciclados simples com papéis virgens feitoscom pasta de refinador.

Redução da "conta do lixo": o Brasil, no entanto, só recicla 30% do seu consumode papéis, papelões e cartões.



Utilização de Fibras Vegetais - Compósitos

Cargas (“fillers”) são materiais sólidos, insolúveis, que são adicionadosaos polímeros durante o processamento em quantidades suficientespara diminuir o custo final ou para alterar de forma controlada algumade suas propriedades físicas.

A combinação produz um material heterogêneo com duas ou mais fasessólidas distintas, comumente chamado de composto.

Tipos principais de cargas:• enchimento: apenas reduzem o custo do produto (compostos inorgânicos -

carbonatos, CaCO3, asbestos, argilas, talco, Mg3(Si4O10)(OH)2, ….)

• de reforço: alteram as propriedades mecânicas do produto (fibras de vidro, fibras vegetais, fibras poliméricas, polímeros auto-reforçados, negro de fumo)

• funcionais: alteram propriedades específicas do produto, como condutividadeelétrica, isolamento térmico e acústico, etc.


Compósitos reforçados com fibras vegetais

Vantagens:• são produzidas por fontes renováveis.• são biodegradáveis• menos abrasivas ao equipamento de processamento• podem ser incineradas• melhor capacidade de isolamento térmico e sonoro• mais leves.• sua produção pode resolver problemas sociais no campo• menor custo

Desvantagem:• não podem ser reciclados por métodos mecânicos, somente por métodos

térmicos

Compósitos reforçados com fibras vegetais: a maior parte das peças éproduzida por termoformagem ou moldagem por compressão.


Compósitos reforçados com fibras vegetais: algumas fibras usadas e suas propriedades


Curauá:planta amazônicamesma família do abacaxi

Fibra:quando seca lembra o sisal na aparênciamuito macia ao tatotem grande resistência mecânicacapacidade de suportar tensões elevadassubstituta natural da fibra de vidro




Quitina: polímero natural, constituinte de uma variedade de animais marinhos(cabeça de camarão, casca de lagosta e carapaças de caranguejo), insetose fungos.

Quitosana: biopolímero produzido a partir da desacetilação da quitina

beneficiamento de camarão resulta em 35% de resíduos (cascas e cabeças)

30.000 t / ano ≅ 1.440.000 t de rejeitos ricosem quitina

Composição das cascas secas de crustáceos:

15-20% de quitina25-40% de proteína40-55% de carbonato de cálciopigmentos e lipídeos (pequena quantidade)

Produtos Industriais a partir de outros resíduos polissacarídicos




Usos:coadjuvantes na redução do colesterol, na perdade peso (captura e a eliminação de gorduras pormecanismo de excreção de ácidos biliares)controle de doenças (artrose)processos de purificação e tratamento de águamanufatura de lentes de contatoramo cosmético (ingrediente na fabricação de xampus e loções)


Produtos Industriais a partir de outros resíduos polissacarídicos

Inulina:encontrada em espécies como a dália, a alcachofra de Jerusalém(topinambur) e a chicóriaconstitui aproximadamente 72 a 80% da matéria secapotencial para aplicação industrial - chicória (Cichorium intybus) e a alcachofra de Jerusalém (Helianthus tuberosus L.)raízes de chicória - utilizada para produção industrial da inulina naBélgica, França e Holanda

Produtores mundiais: ORAFTI - www.orafti.comCOSUCRA - www.cosucra.com



BiopolímerosMateriais poliméricos classificados estruturalmente como

polissacarídeos, políésteres ou poliamidas

Matéria-prima principal: fonte de carbono renovávelcarboidrato derivado de plantios comerciais de larga escala: cana-de-açúcar, milho, batata, trigo e beterrabaóleo vegetal extraído de soja, girassol, palma ou outra planta oleaginosa

Biopolímeros de maior importância: polilactato (PLA)polihidroxialcanoato (PHA)polímeros de amido (PA) xantana (Xan)

Mercado (2002) ≅ 60.000 t; taxa de crescimento > 20% a.a.




POLÍMEROS DE AMIDOAmido desestruturado ou gelatinizado: material termoplástico obtido por um rearranjo intermolecular (desestruturação das cadeias do amido), quando o amido é extrudadoem extrusoras simples ou de duplarosca com plastificantes

Amido complexado: amidodesestruturado misturado com outrospolímeros advindos do petróleo (álcoolpolivinílico e poli-caprolactona) ou com outros bioplásticos (poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato, polilactatos e polibutileno succinato)

Amidos modificados: uso de métodos químicos para substituir parte dos radicais –OH das cadeias de amilose e amilopectina por grupos éter ou éster

Usos: filmes de recobrimentos, material para enchimento de embalagens e filmes para sacos de lixos

Principal produtor: Novamont (Itália) - 50.000 t/a (Mater-Bi®)


POLILACTATOS (PLA)poliésteres alifáticos obtidos por polimerização do ácido lático que pode ser encontrado na forma de dois isômeros ópticos (L,D ácido lático)

Usos: embalagens (70%), fibras e têxtil, agricultura, eletrônicos, aparelhos e aparatos domésticos

Principal produtor: Cargill-Dow (EUA) - 100.000 t/a


POLIHIDROXIALCANOATOS (PHA)poliésteres completamente biodegradáveis em ambientes microbiologicamente ativos, biocompatíveis, podendo ser biossintetisados por bactérias ou por plantas geneticamente modificadas.

Biossíntese de PHA por bactérias:excesso de fonte de carbono e a limitação de pelo menos um nutriente necessário à multiplicação das células (N, P, Mg, Fe, etc.)o polímero é acumulado dentro das células bacterianas em forma de grânulos, atingindo até cerca de 90% de sua massa em base seca

Usos: peças feitas por termoformagem e injeção em moldes, filmes extrudados, fios, entre outros.área médica - fios de sutura, moldes para engenharia de tecidos e matriz para liberação controlada de fármacos.

Principais produtores:Mitsubishi (Japão) - PHB a partir de metanol, Biogreen®PHB Industrial (Brasil) - PHB de sacarose extraída de cana-de-açúcar, Biocycle®Zeneca Bioproducts (antiga ICI) - PHB/HV a partir da mistura de glicose e ácido propiônico, Biopol®

Monsanto Metabolix (EUA)Procter & Gamble (EUA) - PHB/HHx a partir de glicose e óleos vegetais (óleo de palma), Nodax®

Kaneka Co (Japão)

PHB - homopolímero poli(3-hidroxibutirato) PHB/HV - copolímero de poli(3-hidroxibutirato) e 3-hidroxivaleratoPHB/HHx - copolímero de poli(3-hidroxibutirato) e 3-hidroxihexanoato


POLIÉSTERES ALIFÁTICOS – AROMÁTICOS (PAA)

produzidos a partir de um diol copolimerizado com um ou mais ácidos dicarboxílicosmuitos dos diais e diácidos utilizados para síntese química destes polímeros podem ser produzidos a partir de matéria primas renováveis


Glicose (proveniente do amido de milho) é convertida a glicerol e a seguir a 1,3-propanodiol por E. coli geneticamente modificada.

Usos: substituição em aplicações que utilizam Nylon (fibras para confecções e carpetes) e PET (frascos e garrafas)

Produtor: DuPont


Produtor: DSM


AA é polimerizado com hexametilenodiamina (HMD) para dar Nylon 66


GOMA XANTANA

Fator crítico na produção comercial de xantana:custo do meio de fermentação (glicose ou sacarose, extrato de levedura, peptona, nitrato de amônia ouuréia e sais)

Usos: estabilizante em substitutos de clara de ovos(merengues, “nougat”, doces e sorvetes)

para aumentar a viscosidade em molhos de tomate

Produção mundial ≅ 30.000 t/aPrincipais produtores: Kelco (EUA), Rhône-Poulenc e

Mero-Rousselot-Santia (França), Pfizer (EUA)


O desafio atual para os bioplásticos, é a redução dos custos ao mesmo nível dos congêneres produzidos a partir de petróleo.

preço médio atual ≅ US$ 4,00 / kgpolipropileno comercializado atualmente ≅ US$ 1,5/kg

ganhos de escala de produção, rotas tecnológicas otimizadas e a intensificação do uso de fontes renováveis de matérias primas e

energia de baixo custo

O custo das matérias-primas representam importante papel no custo de produção destes bioplásticos.

Objetivos a serem perseguidos:aumento dos fatores de conversão das fontes de carbono a bioplásticosuso de resíduos (municipais, agrícolas, industriais) de baixo custo comofontes de carbonomodulação da composição dos polímeros para ampliação de suas aplicações




POTENCIAL DE SUBSTITUIÇÃO DOS POLÍMEROS CONVENCIONAIS POR BIOPLÁSTICOS

Principais áreas: embalagens, descartáveis e fibras têxteis


CAPACIDADE E DEMANDA ATUAL DE BIOPLÁSTICOS










Grau de preferência de matérias-primas renováveis na produção de biopolímeros

Custo de produção do açúcar:Cana (Brasil): ≅ US$ 200/ton Sacarose (China): US$ 700/tonBeterraba (Europa): US$ 1000/tonMilho (EUA) ≅ US$ 450/ton

Custo de produção do amido:Mandioca (Brasil): US$ 262/tonMilho (EUA): ≅ US$ 478/ton


Custo de produção de biopolímeros a partir de diferentes matérias-primas


Atual estágio de desenvolvimento dos biopolímerose perspectiva de produção



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