Matérias-primas para a produção de etanol

Matérias-primas para a produção de etanol
Universidade de São Paulo – USP Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” – Esalq Departamento de Agroindústria, Alimentos e Nutrição - LAN LAN Tecnologia do Álcool Etílico Matérias-primas para a produção de etanol Prof. Antonio Sampaio Baptista

MATÉRIAS-PRIMAS PARA A PRODUÇÃO DE ÁLCOOL
INTRODUÇÃO 1.1 Requisito indispensável nas matérias-primas 2. Requisitos nas matérias-primas de interesse industrial 3. Tipos de matérias-primas 4. Potencial produtivo das principais matérias-primas 5 – Cana-de-açúcar como matéria-prima 6 – Parâmetros de qualidade da cana como matéria-prima 7 – Fatores que interferem na qualidade da matéria-prima 8 – Indicadores de qualidade da matéria-prima 9- Considerações finais 10 - Referências

1. INTRODUÇÃO No Brasil, o primeiro estudo estratégico sobre matérias-primas para produção de etanol foi divulgado em 1974, na Revista do Gás, N. 24, sob coordenação de Lamartine Navarro Junior e assessoria de Cícero Junqueira Franco. Este trabalho foi encomendado pelo então Ministério de Minas e Energia do Brasil. O estudo foi solicitado com o objetivo de verificar o potencial de fontes não convencionais para produção de energia no Brasil.

1. INTRODUÇÃO Desse trabalho, para esta aula, quero que analisem o título “FOTOSSÍNTESE COMO FONTE ENERGÉTICA”. A investigação enfatizava que com esse conceito era possível produzir energia em qualquer lugar do planeta que se disponibilizasse de luz solar. O que isso tem haver com matérias-primas para a produção de etanol??

Fermentação alcoólica
1. INTRODUÇÃO C6H12 O C2H5OH CO energia + outros Glicose etanol gás carbônico Fermentação alcoólica Agente de transformação (leveduras) Pela reação descrita acima, observa-se que o etanol é formado a partir de que? A reação descrita a seguir, parece ter alguma relação com a reação acima? Luz solar 6CO2 +12 H2O C6H12O H2O + 6O2 + energia Tem que saber. Questão de vida ou morte!! Qual é o nome desta reação ???

1. INTRODUÇÃO Açúcares e fontes de açúcares que podem ser provenientes da fotossíntese: Monossacarídeos Dissacarídeos

1. INTRODUÇÃO Polissacarídeos
Açúcares e fontes de açúcares que podem ser provenientes da fotossíntese: Polissacarídeos Levedura não fermenta Atenção!!

1. INTRODUÇÃO A característica mais importante na matéria-prima é que esta permita ser transformada em álcool, de forma o mais simples, econômica e eficiente possível; através de um processo denominado fermentação alcoólica. A fermentação alcoólica pode ser simplificada no seguinte esquema: MATÉRIA-PRIMA agente de transformação ÁLCOOL (leveduras) Para que aconteça esta reação de biotransformação, qual é o pré-requisito indispensável na matéria-prima?!!?

Fermentação alcoólica
1. INTRODUÇÃO O pré-requisito indispensável na matéria-prima para produzir álcool é que esta contenha CARBOIDRATOS na sua composição. monossacarídeos de 3, 4 ou 6 carbonos (glicose e frutose) Fonte direta ou indireta* Fermentação alcoólica Agente de transformação (leveduras) * MATÉRIAS-PRIMAS ÁLCOOL + OUTROS

Tipos de matérias-primas
Matérias-primas no Brasil Comuns - Cana-de-açúcar - Caldo de cana e derivados - Melaço b) Outras - Milho - Mandioca, batata doce - Sorgo sacarino - Resíduos agrícolas

Matérias-primas no Brasil
a) Cana-de-açúcar Cultivares: mais de 200 materiais Produtividade: 80 tc/ha ou 11,5 t de ATR/ha Período de utilização industrial : até 270 dias Produtividade de etanol: 6800 L/ha/ano Produtividade de etanol anidro: 0,56654 m3/tATR Produtividade de etanol hidratado: 0,59126 m3/tATR

*Comunicação pessoal Monsanto* Materiais novos Produção: 80 t/ha
Rendimento em ATR: 132 kg/t? - Produção de etanol: 80 L/t - Tempo de cultivo: dias - PUI: 45 dias *Comunicação pessoal

Matérias-primas no Brasil
Beterraba açúcareira Cultivares: importadas Produtividade: 70 t/ha Período de utilização industrial : 60 dias a 90 dias Produtividade de etanol: 5500 L/ha/ano

Fontes Residuais 3. COMPOSIÇÃO DAS MATÉRIAS-PRIMAS
3.1. Melaço (mel final) qualidade e natureza da matéria prima (variedade, idade, sanidade, etc.) Melaço operações unitárias (composição) condições regionais condições e tempo de armazenamento tipo de açúcar (cristal branco, demerara, etc.) Produção: kg/TC litros de etanol

Fontes Residuais Especificações - Variabilidade de composição do melaço em Usinas de álcool Fonte: Síntese de publicações da Copersucar - (1) e (2) - Vasconcelos, 1985

2 Fontes amiláceas e feculentas
2 Composição química das principais matérias-primas Milho - Umidade 10,93 % - Proteína 9,88 % - Lipídeos 4,17 % - Carboidratos 71,95 % - Fibras ,71 % Minerais 1,36 % Mandioca - Umidade 65,50 % - Proteína 1,50 % - Lipídeos 1,50 % - Carboidratos 28,50 % - Fibras ,00 % Minerais 1,00 % - Característica de interesse: alto teor de amido

2 Fontes amiláceas e feculentas
Potencial das principais fontes de amido para produção de etanol RENDIMENTO EM AÇÚCAR 1 tonelada de milho: 720 kg de glicose 1 tonelada de mandioca: 290 kg de glicose RENDIMENTO EM ÁLCOOL 1 tonelada de milho: 400 Litros de álcool 1 tonelada de mandioca: 180 Litros de álcool * Massa Específica do álcool a 20 ºC álcool: 789,32 kg/m3

2 Fontes de material lignocelulósico
Potencial das principais fontes de material lignocelulósico para produção de etanol MADEIRA Rendimento em álcool = 280 a 350 l/ t seca Resíduos Sulfíticos das Fábricas de Papel 1 tonelada de madeira produz 6 m3 de lixivia que podem gerar de 48 a 60 litros de álcool. Casca de eucalipto: 10 t/ha/ano  180 litros de etanol/t (teóricamente)

2 Fontes de material lignocelulósico
Palha da cana Excedente de bagaço por tonelada de cana: 20 a 120 kg Palha da cana disponível por hectare plantado: 10 toneladas BAGAÇO DE CANA Bagaço excedente 7 a 78 % 10 t/ha Abolição da queima de cana até 2014/2017

Açúcares de 5 carbono – fermentação especial
2 Fontes de material lignocelulósico Potencial de conversão do Bagaço em etanol Açúcares de 5 carbono – fermentação especial Potencial atual

Matéria-prima (requisitos)
2. REQUISITOS NAS MATÉRIAS-PRIMAS DE INTERESSE INDUSTRIAL (1) Teor de glicídios (alto) (2) Preço de produção do glicídio (baixo) (3) Preço da transformação do glicídio (baixo) (4) Quantidade existente (grande) (5) Facilidade de aquisição e transporte (grande) (6) Balanço energético (positivo) Matéria-prima (requisitos)

5 Cana-de-açúcar como matéria-prima para a produção de álcool
5.1 Considerações gerais A cana-de-açúcar foi escolhida como a matéria-prima para produção de etanol no Brasil por apresentar as seguintes características: 1) Alta produtividade:  80 t/ha 2) Baixo custo de produção do açúcar: 3) Baixo custo de transformação do açúcar: leveduras (enzimas) 4) Facilidade de aquisição e de transporte: longo PUI e áreas com boa malha viária 5) Balanço energético positivo: excedente de bagaço (7 – 78 %) 6) Tradição com o cultivo: > 450 anos

5.2 Considerações gerais Do ponto de vista agroindustrial é muito importante entender que a matéria-prima não deve ser analisada apenas em função da quantidade, por que? Fornecimento de matéria-prima o suficiente e constante durante toda a safra; A qualidade da matéria-prima deve atender às necessidades da usina.

5.3 Considerações gerais Cana-de-açúcar Fibra  8 – 14 %
Caldo  86 – 92 % Água  75 – 82 % Sólidos solúveis  18– 25 % Açúcares  15 – 24 % Não açúcares  1 – 2,5 % Sacarose 14 – 24 % Glicose 0,2 – 1 % Frutose 0,2 – 1 % Orgânicos 0,8 – 1,8 % Inorgânicos 0,2 – 0,7 % Figura 1 – Composição tecnológica da cana-de-açúcar (Fonte: Waldemar, 2007

6 Parâmetros de qualidade da matéria-prima
Dois tipos de fatores afetam a qualidade da matéria-prima destinada à indústria: 1) Fatores intrínsecos: relacionados à composição da cana (teores de sacarose, açúcares redutores, fibras e minerais), sendo estes afetados de acordo com a variedade da cana, variações de clima (temperatura, umidade relativa do ar, chuva), solo e tratos culturais; 2) Fatores extrínsecos: relacionados a materiais estranhos ao colmo (terra, pedra, restos de cultura, plantas invasoras) ou compostos produzidos por microrganismos devido à sua ação sobre os açúcares do colmo.

6.1 Pol (pol%caldo): É a percentagem de sacarose aparente contida no caldo. Sendo determinada por métodos sacarimétricos (sacarímetros ou polarímetros). Para a indústria, quanto mais elevados os teores de Pol , melhor.

6.2 Brix: É o parâmetro mais utilizado na indústria do açúcar e álcool. Expressa a percentagem (p/p) dos sólidos solúveis contidos em uma solução açucarada impura. O brix normalmente é determinada por aparelhos denominados refratômetros. É primeiro parâmetro analisado para verificar se a cana está madura. Também é usado para verificar se a fermentação alcoólica já chegou ao fim.

6.3 Pureza aparente Reflete a relação da POL sobre os demais sólidos solúveis (POL/BRIX*100). A pureza é um valor calculado e não avaliado diretamente. Quando a cana está madura a pureza é maior do que a cana está verde. O valor de pureza é sempre menor do que 100 %. Porque a sacarose é apenas um entre todos os sólidos solúveis.

6.4 Fibra: É a matéria insolúvel em água contida na cana. Plantas mais ricas em fibras são mais tolerantes ao tombamento e mais tolerantes à entrada de pragas e doenças. No início de safra – usar variedades mais ricas em fibras Do ponto de vista industrial – importante para o balanço energético. Teor de fibra na cana é determinado de acordo com o Consecana (2006)

6.4 Fibra: Segundo o Consecana, 2006: % de fibra = 0,08 x PBU + 0,876 PBU = peso do bagaço úmido (obtido de uma amostra de 500 g cana desfibrada prensada) Ou Usando o peso do bagaço seco (PBS) % F = [(100 x PBS) – (PBUxB)] /[(5 x (100 -B)] PBS = peso do bagaço seco B = brix do caldo

6.5 Açúcares redutores: Este termo é empregado para designar os açúcares na forma de glicose e frutose, contidos no caldo. A glicose também pode ser chamada de dextrose e a frutose de levulose. Em geral, no caldo de cana o teor de glicose é maior do que o de frutose. A relação G/F, decai de 1,6 (cana verde) para 1,1 na cana madura. Cana verde: elevados teores de AR ( 1,5 %) Cana madura: baixos teores de AR ( 1,5 %) Maturação da cana ocorre da base para o ponteiro; Altos teores de AR aumentam a cor do açúcar e dificultam a cristalização da sacarose.

6.6 Açúcares redutores totais (ART): Representa o somatório dos açúcares redutores presentes nessa forma no caldo da cana e a glicose mais a frutose que se originaram da hidrólise da sacarose, ou seja, representa todos os açúcares do material na forma invertida. Os açúcares redutores totais presentes no caldo podem ser obtidos através da seguinte relação: ART = %AR + 1,05 x %Pol %AR = percentagem de açúcares redutores no caldo %Pol = percentagem de Pol no caldo

6.7 Açúcares totais (AT): Referem-se a concentração de total de açúcares no caldo, o somatório de glicose+frutose+sacarose Os açúcares redutores totais presentes no caldo podem ser obtidos através da seguinte relação: %AT = Sacarose% no caldo + açúcares redutores% no caldo

6.8 Açúcares totais recuperáveis (ATR): É a quantidade de açúcares redutores totais (ART) recuperada da cana até o xarope. Em geral, o ATR total dos produtos é semelhante ao ART da cana considerando perdas de 9,5%. h) A quantidade de ATR, em Kg por tonelada de cana ATR = 9,6316 x PC + 9,15 x ARC x K Onde: ATR = açúcar total recuperável K = fator de desconto a ser aplicado ao ATR

6.8 Impurezas minerais e vegetais (IPMV): Impurezas: todo material não colmo presente na matéria-prima. Impurezas minerais: terra, pedregulhos e metais (equipamentos) Derivadas das operações de corte e carregamento da cana. Impurezas vegetais:folhas da cana (secas, verdes, parcialmente secas), cartucho de folhas enroladas, plantas daninhas, etc. Oriundas da própria cana, restos de outras culturas ou plantas daninhas. Estas impurezas estão presentes na cana entregue na usina independente do tipo de colheita adotado, cana crua ou queimada.

7 Fatores que interferem na qualidade da matéria-prima
Queima da cana-de-açúcar Maturação Matéria estranha ou impurezas Sanidade Altura de desponte Deterioração (fisiológica ou microbiana) Inversão da sacarose

Queima da cana-de-açúcar Colheita da cana sem queima é o ideal para manter a qualidade da matéria-prima; Redução de produtividade do trabalhador Acidentes de trabalho

2) Maturação Sacarose: produção de açúcar Sacarose, glicose e frutose: produção de álcool PUI = a partir de 12,26 % de pol na cana

2) Maturação

3) Matéria estranha ou impurezas

3) Matéria estranha ou impurezas Fatores que afetam: Condições climáticas Tipo de colheita Cuidados nas operações de corte e carregamento

3) Matéria estranha ou impurezas Tipo de colheita b1) Colheita manual: impurezas minerais b2) Colheita mecanizada: impurezas vegetais Efeitos negativos Arraste de sacarose no bagaço final, maior consumo de energia, desgaste de equipamentos, aumento do cor, amido e cinzas no caldo

3) Matéria estranha ou impurezas
7 Fatores que interferem na qualidade da matéria-prima 3) Matéria estranha ou impurezas

4) Altura de desponte

5) Deterioração fisiológica

5) Deterioração microbiana

5) Deterioração Tecnológica Respiração e transpiração Aumento do teor de fibra (desgastes de equipamentos) Exsudados (queima) aumento de impurezas minerais Problemas na fermentação

6) Inversão da sacarose Na cana como matéria-prima para a indústria, a inversão da sacarose pode ocorrer no interior dos colmo e isso é indesejável. Fatores estimulantes: Ação de microrganismos (fungos e bactérias) Retomada do crescimento (ciclo vegetativo) Brotação lateral (cana bisada - chupões)

6) Inversão da sacarose Fatores estimulantes: Geada com morte apical Aplicação de maturadores e adiantamento da colheita Queima da cana e armazenamento (em pé ou cortada) Danos mecânicos na colheita

8 Indicadores de qualidade da matéria-prima
Indicadores Valores recomendados Pol  14% Pureza  85% ART  15% AR  0,8% Fibra – 13 % Tempo queima/colheira ao processamento  35 h corte manual  16 h corte mecânico Impurezas minerais  5kg/t de cana Palhiço  5% Contaminação microbiana  105 UFC mL-1 Fonte: Ripoli, 2004

9. Considerações finais Existem diversas matérias-primas que podem ser utilizadas para a produção de álcool; Todas as matérias-primas fontes de açúcares direta ou indiretamente fermentecíveis podem ser utilizadas para a produção de álcool. Na escolhida da matéria-prima é importante considerar os seguintes fatores: teor de açúcares, preço de produção do açúcar, preço de transformação do açúcar, quantidade da matéria-prima existente, facilidade de aquisição e transporte e balanço energético.

9. Considerações finais Do ponto de vista industrial, as características tecnológicas mais importantes na cana-de-açúcar são: POL ( 14 %) e fibra (11 a 13 %); A cana-de-açúcar deve ser fornecida de forma contínua e uniforme durante toda a safra;

9. Considerações finais Os principais parâmetros utilizados para avaliar a qualidade da cana-de-açúcar são: pol, brix, fibra, AR, ART, AT, ATR, pureza e impurezas; Os principais fatores que afetam a qualidade da cana-de-açúcar para a indústria sucroalcooleira são: queima da cana-de-açúcar, maturação, matéria estranha ou impurezas, sanidade, altura de desponte, deterioração (fisiológica ou microbiana) e inversão da sacarose.

10. Referências 1- Acesso em 02/03/2010; 2 - RIBEIRO, C., BLUMER, S., HORII. Fundamentos de tecnologia sucroalcooleira: tecnologia do açúcar. Piracicaba: ESALQ/Depto de Agroindústria, Alimentos e Nutrição, V.2, p. 3 - USHIMA, A.K., RIBEIRO, A.M.M., SOUZA, M.E.P., SANTOS N.F. Conservação de energia na indústria do açúcar e do álcool. São Paulo, IPT, p. 4 - DINARDO-MIRANDA, L.L.; VASCONCELOS, A.C.M.; LANDELL, M.G.A. Cana-de-açúcar. Campinas: Instituto Agronômico, p.

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