Download PDF
ads:
U
NIVERSIDADE
F
EDERAL DO
R
IO
G
RANDE DO
S
UL
E
SCOLA DE
E
NGENHARIA
D
EPARTAMENTO DE
E
NGENHARIA
Q
UÍMICA
P
ROGRAMA DE
P
ÓS
-G
RADUAÇÃO EM
E
NGENHARIA
Q
UÍMICA
Proposta de Um Modelo Conceitual de
Biorrefinaria com Estrutura
Descentralizada
D
ISSERTAÇÃO DE
M
ESTRADO
Fernanda Cabral Borges
Porto Alegre
2010
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
U
NIVERSIDADE
F
EDERAL DO
R
IO
G
RANDE DO
S
UL
E
SCOLA DE
E
NGENHARIA
D
EPARTAMENTO DE
E
NGENHARIA
Q
UÍMICA
P
ROGRAMA DE
P
ÓS
-G
RADUAÇÃO EM
E
NGENHARIA
Q
UÍMICA
Proposta de Um Modelo Conceitual de
Biorrefinaria com Estrutura
Descentralizada
Fernanda Cabral Borges
Dissertação de Mestrado apresentada como requisito
parcial para obtenção do título de Mestre em
Engenharia.
Área de concentração: Projeto de Processos.
Orientador:
Prof. Dr. Jorge Otávio Trierweiler
Porto Alegre
2010
ads:
3
U
NIVERSIDADE
F
EDERAL DO
R
IO
G
RANDE DO
S
UL
E
SCOLA DE
E
NGENHARIA
D
EPARTAMENTO DE
E
NGENHARIA
Q
UÍMICA
P
ROGRAMA DE
P
ÓS
-G
RADUAÇÃO EM
E
NGENHARIA
Q
UÍMICA
A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertação Proposta de Um Modelo
Conceitual de Biorrefinaria com Estrutura Descentralizada, elaborada por Fernanda Cabral Borges,
como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia.
Comissão Examinadora:
Drª. Luciane Ferreira Trierweiler
Prof. Dr. Marcelo Farenzena
Prof. Dr. Nilson Romeu Marcílio
4
DEDICATÓRIA
Aos meus amores, pelas minhas
ausências, angústias e preocupações que
sentiram por mim, pela paciência, incansável
dedicação, amor e estímulo que sempre me
ofereceram, dedico-lhes essa conquista com
gratidão.
5
AGRADECIMENTO
Agradeço à prestimosa ajuda de meu
orientador, Jorge, que sempre soube conduzir
meus passos na realização do trabalho; pela
paciência e carinho com que sempre me guiou.
Agradeço a todos os professores,
funcionários e colegas pelo apoio e estímulo.
6
EPÍGRAFE
“Filho meu, se aceitares as minhas
palavras e guardares contigo os meus
mandamentos, para fazeres atento à sabedoria
o teu ouvido e para inclinares o teu coração ao
entendimento; e se clamares por entendimento,
e por inteligência alçares a tua voz, se como a
prata a buscares e como tesouros ocultos a
procurares, então entenderás o temor do
Senhor, e acharás o conhecimento de Deus.”
Provérbios, 2:1-5.
7
RESUMO
A busca por segurança energética tem feito com que a maioria dos países
empenhe-se em procurar fontes alternativas de energia que permitam mitigar
problemas econômicos, sociais e ambientais. Nesse cenário, espera-se que a
biomassa, disponível de forma geograficamente dispersada, venha a tornar-se um
dos principais recursos renováveis na produção de alimentos, materiais, produtos
químicos, combustíveis e energia, enquanto o desenvolvimento de biorrefinarias
representa a chave para uma produção integrada, combinando rotas de conversões
químicas, bioquímicas e termoquímicas, no processamento da biomassa, visando à
utilização otimizada dos recursos disponíveis. Com o crescente interesse em reduzir
a escala de produção, as biorrefinarias com estruturas descentralizadas são uma
alternativa à centralização de produções em grandes plantas industriais e à
monocultura danosa, pois utiliza biomassas disponíveis regionalmente, integra
sistemas de produção potencializando os recursos locais, reduz custos com logística
e impacto ambiental, além de melhorar a distribuição da renda. O presente trabalho
apresenta uma revisão da disponibilidade de biomassa no Brasil e no mundo, com
especial interesse no aproveitamento de resíduos orgânicos e microalgas, dos
principais produtos de interesse e conceitos de biorrefinarias existentes. O objetivo é
discutir qual é o conceito que melhor se adapta às necessidades do cenário
brasileiro, bem como propor um novo modelo com estrutura descentralizada em
duas ou três etapas, que vise à otimização de um processamento sustentável de
biomassa para obtenção de vários produtos comerciáveis e energia, além de
delinear diretrizes para investimentos na área. É apresentada uma metodologia para
a tomada de decisões na concepção e análise de viabilidade do projeto conceitual
de uma biorrefinaria, considerando-se também as restrições de ordem ecológica,
econômica e tecnológica. Como estudo de caso, é proposta uma biorrefinaria a partir
de microalgas. A escolha por microalgas como matéria-prima é baseada nas
vantagens que sua utilização apresenta frente à de outras biomassas, dentre elas
cita-se a capacidade de produção rápida e durante todo o ano, a captura do CO
2
necessário ao seu crescimento, a necessidade de menos água do que plantas
terrestres, são cultiváveis em água salobra e terras não aráveis, apresentam elevado
teor de óleo, seus nutrientes podem ser obtidos a partir de águas residuais, sua
composição bioquímica pode ser modulada por diferentes condições de crescimento
e são capazes de produção fotobiológica de bio-hidrogênio. Das alternativas de
rotas possíveis para seu processamento, são apresentadas duas que apontam como
sendo as mais promissoras: o uso da microalga como substrato de algum outro
microorganismo, visando à obtenção de compostos com maior valor agregado,
tendo os biopolímeros como exemplo, e o uso do processo de pirólise rápida para
8
obtenção de bio-óleo, que deve ser processado posteriormente, visando à
especificação em biocombustível. As vantagens da otimização do cultivo, colheita,
rotas viáveis de processamento e a análise do potencial econômico desse modelo,
indicam uma excelente oportunidade para obtenção de um espectro de produtos de
alto valor agregado e energia e um grande potencial de aplicação.
Palavras-chave:
biorrefinaria; biomassa; microalgas; bioprodutos.
9
ABSTRACT
The search for energy security makes most countries strive to seek alternative
sources of energy that allows mitigating economic, social and environmental
problems. In this scenario, it is expected that biomass, available on a geographically
dispersed way, will become one of the major renewable resources for food,
materials, chemicals, fuels and energy production, while the development of
biorefineries represents the key to an integrated production, combining chemical,
biochemical and thermochemical conversion routes for biomass processing, aimed at
an optimized utilization of available resources. With the growing interest in reducing
the production scale, the biorefineries with decentralized structures are an alternative
to the centralization of production in large industrial plants and harmful monoculture
because it uses biomass regionally available, integrates production systems
potentiating local resources, reduces logistics costs and environmental impact, as
well as improves income distribution. This work presents a review of the availability of
biomass in Brazil and in the world with special interest in the use of organic waste
and microalgae, the main products of interest and concepts of existing biorefineries.
The objective is to discuss which is the concept that best fits the needs of the
Brazilian scenery and propose a new model with decentralized structure in two or
three steps, aimed at optimizing a sustainable biomass processing to obtain various
marketable products and energy, and delineate guidelines for investment in the area.
It is presented a methodology for making the conceptions decisions and feasibility
analysis of the conceptual design of a generic refinery, considering also the
ecological, economic and technological constraints. As a case study, it is proposed a
biorefinery from microalgae. The choice of microalgae as a raw material is based on
the advantages that their use offers over the others biomasses. Among the
advantages it can be cited the ability for rapid production and during all the year, the
capture of CO
2
for its growth, the need for less water than land plants, they can be
cultivated in brackish water and non-arable land, have a high oil content, nutrients
can be obtained from waste water, their biochemical composition can be modulated
by different growth conditions and are capable of producing photobiology bio-
hydrogen. Of the possible alternative routes for microalgae processing, are
presented two as the most promising: the use of microalgae as a substrate for some
other microorganism in order to obtain compounds with high added value,
biopolymers as an example, and use the process of fast pyrolysis for obtaining bio-
oil, which will be processed later in order to specify biofuels. The advantages of the
cultivation optimization, harvesting, processing viable routes and analyzing the
economic potential of this model indicate an excellent opportunity to obtain a
spectrum of value-added products and energy and its great potential for application.
10
Keywords:
biorefinerie; biomass; microalgae; bioproducts.
11
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Esquema dos produtos e classes de produtos obtidos a partir de matérias-primas biológicas.
............................................................................................................................................................... 26
Figura 2: Esquema das fontes de biomassa. ......................................................................................... 28
Figura 3: Esquema de paralelo entre o conceito de refinaria e o de biorrefinaria. .............................. 43
Figura 4: Esquema da visão geral dos princípios de uma biorrefinaria. ............................................... 44
Figura 5: Esquema do fracionamento de matérias-primas biológicas para o desenvolvimento de
famílias de produtos industriais. ........................................................................................................... 45
Figura 6: Esquema possível de uma biorrefinaria para biomassa contendo precursores, com ênfase à
linha do carboidrato. ............................................................................................................................. 46
Figura 7: Exemplo de aplicação de biotecnologias em quebra da biomassa. ....................................... 47
Figura 8: Famílias de produtos obtidos do açúcar por processos biotecnológicos .............................. 48
Figura 9: Representação visual da estratégia global de seleção. .......................................................... 51
Figura 10: Fluxograma de exemplos de produtos da Petroquímica. .................................................... 53
Figura 11: Fluxograma de exemplos de produtos biobaseados............................................................ 54
Figura 12: Esquema geral de obtenção de produtos em biorrefinarias. .............................................. 62
Figura 13: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria Verde. .................................................... 64
Figura 14: Esquema de obtenção de produtos potenciais a partir de Biorrefinarias Verdes. .............. 64
Figura 15: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria de Cereais com moenda seca. ............... 66
Figura 16: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria de Cereais com moenda úmida. ............ 67
Figura 17: Esquema de obtenção de produtos potenciais a partir de Biorrefinaria de Cereais. .......... 67
Figura 18: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria de Lignocelulose. ................................... 68
Figura 19: Esquema de obtenção de produtos potenciais a partir de Biorrefinaria de Lignocelulose. 69
Figura 20: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria de Plataforma Dual. ............................... 70
Figura 21: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria Termoquímica. ....................................... 72
Figura 22: Esquema da degaseificação de biomassa com catálise em etapas. ..................................... 73
Figura 23: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria Aquática. ................................................ 73
Figura 24: Estrutura do padrão atual de produção. .............................................................................. 86
Figura 25: Estrutura do modelo proposto de produção. ...................................................................... 87
Figura 26: Fluxograma do Processo MEA. ............................................................................................. 93
Figura 27: Esquema da vista aérea de um tanque de recirculação....................................................... 98
Figura 28: Esquema de fotobiorreator com passagem horizontal em tubos paralelos. ....................... 99
Figura 29: Esquema fotobiorreator com arranjo de tubos em “cerca’. .............................................. 100
Figura 30: Esquema fotobiorreator com arranjo helicoidal dos tubos. .............................................. 100
12
Figura 31: Desenho esquemático do fotobiorreator de placas planas. .............................................. 108
Figura 32: Esquema de processos para conversão energética a partir de microalgas. ...................... 112
Figura 33: Esquema do modelo conceitual para produção integrada de biomassa. .......................... 113
Figura 34: Fluxograma de um sistema de gaseificação catalítica a baixas temperaturas................... 114
Figura 35: Esquema de separação para liquefação de microalgas. .................................................... 116
Figura 36: Esquema de um reator de leito fluidizado. ........................................................................ 118
Figura 37: Fluxograma do processo de pirólise rápida. ...................................................................... 120
Figura 38: Esquema do processo de produção do biodiesel. .............................................................. 124
Figura 39: Esquema da produção de etanol a partir das microalgas. ................................................. 126
Figura 40: Esquema de uma biorrefinaria que utiliza pirólise rápida para o processamento da
biomassa. ............................................................................................................................................ 130
Figura 41: Esquema da descentralização da biorrefinaria em três etapas. ........................................ 130
Figura 42: Esquema de integração das rotas de processamento. ...................................................... 131
13
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Produção de energia da biomassa nas principais regiões do mundo (10
6
equivalente barril
de petróleo, ou bep). ............................................................................................................................ 27
Tabela 2: Produção mundial dos principais produtos para a obtenção de energia. ............................ 28
Tabela 3: Produção de energia primária no Brasil em 2003. ................................................................ 30
Tabela 4: Produção de matéria-prima e seus resíduos no Brasil em 2004. .......................................... 32
Tabela 5: Índices de produção per capita de resíduos sólidos domiciliares em função da população
urbana. .................................................................................................................................................. 33
Tabela 6: Geração de resíduos domiciliares nos municípios de São Paulo. .......................................... 34
Tabela 7: Disponibilidade de resíduos agroindustriais. ........................................................................ 35
Tabela 8: Efetivo dos rebanhos em 2004 comparativamente a 2003 no Brasil. ................................... 37
Tabela 9: Quantidade de excremento produzido por diferentes animais. ........................................... 37
Tabela 10: Consumo industrial de madeira em toras no Brasil (1.000m
3
). .......................................... 39
Tabela 11: Volume de madeira consumida pelas empresas para a geração de energia. ..................... 39
Tabela 12: Rendimento de extração de óleo vegetal. .......................................................................... 41
Tabela 13: Seleção de candidatos classificados por número de carbonos. .......................................... 54
Tabela 14: Resultado da seleção Top 30. .............................................................................................. 57
Tabela 15: Blocos de Construção derivados de açúcar. ........................................................................ 57
Tabela 16: Seleção final dos Blocos de Construção. ............................................................................. 59
Tabela 17: Identificação das atuais rotas potenciais para obtenção dos Blocos de Construção. ......... 60
Tabela 18: Resumo das principais características dos conceitos de biorrefinarias. ............................. 74
Tabela 19: Informações de entrada do processo. ................................................................................. 80
Tabela 20: Informações de reação. ....................................................................................................... 81
Tabela 21: Hierarquia de decisões. ....................................................................................................... 82
Tabela 22: Primeiro nível de decisões. .................................................................................................. 83
Tabela 23: Segundo nível de Decisões. ................................................................................................. 84
Tabela 24: Exemplos de utilização de biomassa algal para uso humano.............................................. 89
Tabela 25: Cenários de emissão direta de CO
2
. .................................................................................... 92
Tabela 26: Potencial de produção de biomassa para os três cenários. ................................................ 96
Tabela 27: Comparativo de produtividade anual por hectare para diferentes culturas. ................... 103
Tabela 28: Comparativo entre os dois principais sistemas de produção de microalgas. ................... 104
Tabela 29: Comparação entre fotobiorreatores e tanques de recirculação. ...................................... 105
Tabela 30: Custos de obtenção e área requerida para obtenção de microalgas para cada um dos três
cenários. .............................................................................................................................................. 106
14
Tabela 31: Cenário com potencial de implementação do modelo proposto. .................................... 107
Tabela 32: Composição química das microalgas tendo como base a matéria seca (%). .................... 109
Tabela 33: Composição em óleo das principais microalgas para utilização em biodiesel. ................. 110
Tabela 34: Características e conversões de diferentes condições de pirólise. ................................... 121
Tabela 35: Produtividade máxima de produtos químicos obteníveis a partir de pirólise rápida. ...... 122
Tabela 36: Produção de etanol para cada cenário proposto. ............................................................. 127
15
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO .................................................................................................................................................17
1.
DESENVOLVIMENTO DE BIORREFINARIAS ..............................................................................................20
1.1.
MOTIVAÇÃO
BRASILEIRA...................................................................................................................... 21
1.2.
OBJETIVO ............................................................................................................................................. 23
1.3.
ESTRUTURA
DA
DISSERTAÇÃO ............................................................................................................. 24
2.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................................................25
2.1.
BIOMASSA
NO
BRASIL
E
NO
MUNDO ................................................................................................... 25
2.1.1.
Fontes de Biomassa ..................................................................................................................... 27
2.1.2.
Biomassas Competitivas no Brasil ............................................................................................... 30
2.2.
PRINCÍPIOS
DE
BIORREFINARIA ............................................................................................................ 42
2.2.1.
Precursores .................................................................................................................................. 44
2.2.2.
O Papel da Biotecnologia ............................................................................................................ 47
2.3.
PRODUTOS ........................................................................................................................................... 49
2.3.1.
Blocos de Construção: Seleção Química e Potencial ................................................................... 50
2.4.
ROTAS
E
DESAFIOS ............................................................................................................................... 60
2.5.
CONCEITOS
DE
BIORREFINARIA ............................................................................................................ 61
2.5.1.
Biorrefinarias Convencionais ....................................................................................................... 62
2.5.2.
Biorrefinarias Verdes ................................................................................................................... 63
2.5.3.
Biorrefinarias de Cereais ............................................................................................................. 65
2.5.4.
Biorrefinarias de Lignocelulose ................................................................................................... 68
2.5.5.
Biorrefinarias de Plataforma Dual ............................................................................................... 70
2.5.6.
Biorrefinarias Termoquímicas ..................................................................................................... 71
2.5.7.
Biorrefinarias Aquáticas .............................................................................................................. 73
2.5.8.
Resumo dos Diferentes Conceitos de Biorrefinarias .................................................................... 74
3.
METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE VIABILIDADE DE UMA BIORREFINARIA .............................................75
3.1.
MATÉRIA-PRIMA .................................................................................................................................. 76
3.1.1.
Cenários de Produção .................................................................................................................. 76
3.1.2.
Síntese e Caracterização ............................................................................................................. 78
3.2.
PROCESSAMENTO ................................................................................................................................ 79
3.2.1.
Rotas e Produtos ......................................................................................................................... 80
3.3.
ESTRUTURAS
CENTRALIZADAS
E
DESCENTRALIZADAS ......................................................................... 86
3.3.1.
Avaliação Global de Viabilidade Econômica ............................................................................... 87
16
4.
ESTUDO DE CASO: BIORREFINARIAS A PARTIR DE MICROALGAS ............................................................89
4.1.
CENÁRIOS
DE
PRODUÇÃO .................................................................................................................... 91
4.1.1.
Síntese de Microalgas.................................................................................................................. 94
4.1.2.
Eficiência de Absorção ................................................................................................................. 95
4.1.3.
Produção Anual ........................................................................................................................... 95
4.1.4.
Sistemas de Produção de Microalgas .......................................................................................... 96
4.1.5.
Comparação entre Sistemas abertos e Fotobiorreatores fechados .......................................... 102
4.2.
CARACTERIZAÇÃO
DE
MICROALGAS .................................................................................................. 108
4.3.
PROCESSAMENTO
DE
MICROALGAS .................................................................................................. 110
4.3.1.
Colheita de Microalgas .............................................................................................................. 110
4.3.2.
Recuperação de Óleo de Microalgas ......................................................................................... 111
4.3.3.
Rotas Bioquímicas e Termoquímicas e Produtos de Interesse .................................................. 111
4.4.
POTENCIAIS
DA
BIORREFINARIA
DESCENTRALIZADA
A
PARTIR
DE
MICROALGAS .............................. 129
CONCLUSÃO.................................................................................................................................................. 132
TRABALHOS
FUTUROS ..................................................................................................................................... 134
REFERÊNCIAS ................................................................................................................................................ 136
17
INTRODUÇÃO
Atualmente, a segurança energética mundial depende em boa parte das
decisões dos poucos países que integram a Organização dos Países Exportadores
de Petróleo (OPEP). Os riscos geopolíticos decorrentes da dependência do petróleo
de países politicamente instáveis, os crescentes preços dos combustíveis fósseis,
em decorrência da perspectiva do gradual esgotamento das reservas de petróleo, e
os compromissos mais sólidos com a questão ambiental, desde a assinatura do
Protocolo de Kyoto, têm feito com que a maior parte dos países se empenhe em
buscar fontes alternativas de energia que permitam mitigar problemas de ordem
econômica, social (empregos, rendas, fluxos migratórios) e ambiental (mudanças
climáticas, poluição). O biodiesel, a célula combustível de hidrogênio e,
principalmente, o etanol passaram a constar de forma definitiva na agenda dos
governos e das políticas de praticamente todos os países.
Entretanto, as atenções voltadas para o etanol não estão mais restritas ao
etanol combustível, mas incorporam o etanol grau químico, fonte de matérias-primas
(químicas) utilizadas em diversos setores da indústria de transformação. A
alcoolquímica é o segmento da indústria química que utiliza o álcool etílico como
matéria-prima para fabricação de diversos produtos químicos. Com efeito, boa parte
dos produtos químicos derivados do petróleo pode ser obtida também do etanol, em
particular o eteno, matéria-prima para resinas, além de produtos derivados do etanol
e que hoje são importados, como os acetatos e o éter etílico. Da mesma forma,
muitos produtos químicos eram obtidos de outras fontes fósseis, como o carvão, até
serem suplantados pela petroquímica como principal fonte de matérias-primas,
quando o modelo de produção americano calcado no petróleo barato tornou-se
hegemônico. Hoje, a indústria química mundial obtém mais de 90% da matéria-prima
para síntese de moléculas orgânicas com base no petróleo. No futuro, por razões
18
econômicas, a alcoolquímica poderá vir a substituir à petroquímica e o etanol poderá
assumir o lugar do petróleo como fonte de matérias-primas (BASTOS, 2007).
Nos panoramas que se abrem, dois aspectos centrais devem ser
considerados: por um lado, o desenvolvimento de novas tecnologias de produção
com base na biomassa e, por outro, o conceito de biorrefinarias.
Espera-se que a biomassa venha a tornar-se um dos principais recursos
renováveis para a produção de alimentos, materiais, produtos químicos,
combustíveis e energia. O potencial global de provisão de biomassa é grande: a
expectativa é que em 2050 a provisão mundial de biomassa seca ultrapasse 25
bilhões de toneladas por ano (HOOGWIJK, FAAIJ et al., 2003). Porém, como se
espera que a demanda global aumente em grande extensão, é necessário que se
estabeleça um pacote de medidas para que o cenário de uma sociedade sustentável
seja alcançado. Dentre essas medidas pode-se citar o aumento em eficiência
energética global, redução de consumo e substituição de recursos fósseis, utilizados
como matérias-prima e combustíveis, por alternativas renováveis, além da
necessidade de se oferecer uma base que viabilize a transição da larga-escala à
economia biobaseada, procurando-se evitar também a concorrência com a produção
de alimentos.
A Holanda é um dos exemplos dentre os países que têm desenvolvido metas
para a substituição de recursos fósseis por alternativas biobaseadas. A meta,
segundo o comitê do conselho governamental holandês, denominado Platform
Biobased Raw Materials (em holandês: Platform Groene Grondstoffen (PGG)), é de
que pelo menos 30% dos recursos fósseis utilizados no país sejam substituídos até
2030 (PLATFORM GROENE GRONDSTOFFEN, 2006). São quatro os setores alvo
dessas metas: química e materiais, biocombustíveis, energia e calor. A escolha
entre as diferentes alternativas para as substituições depende, entre outros
aspectos, dos custos (SANDERS, SCOTT et al., 2005). Na opinião do conselho
governamental holandês, a prioridade deve ser dada à substituição de matérias-
primas fósseis mais escassas. Assim, primeiramente o petróleo seria substituído, em
seguida a prioridade seria dada ao gás natural, e por último, ao carvão (REE e
ANNEVELINK, 2007).
Com os dados obtidos a partir de um primeiro estudo realizado para verificar
se a quantidade necessária de biomassa estaria disponível na Holanda, para que a
meta de 30% de substituições fosse alcançada até 2030, concluiu-se que 60 a 80%
19
da biomassa requerida ainda deveria ser importada pelo país. Então, um segundo
estudo foi realizado concluindo que a biomassa a ser importada poderia ser reduzida
para aproximadamente 55% da requerida se aquela que estivesse disponível no
país fosse utilizada de uma forma otimizada (RABOU, DEURWAARDER et al.,
2006). Isso poderia ser alcançado através de algumas rotas estabelecidas para essa
transição, tais como: aumento da eficiência na utilização de biomassa que existe no
país, incluindo a biomassa que ainda não é utilizada, produção sustentável de
biomassa aliada à melhora no rendimento e qualidade das colheitas, além de
investimentos em produção de biomassa aquática.
Enquanto obtém-se êxito em pesquisas e desenvolvimento de sistemas de
biorrefinarias na Europa e Alemanha, significativos desenvolvimentos industriais
foram iniciados nos Estados Unidos. Nesse país, a expectativa é de que antes de
2020, pelo menos 25% das substâncias químicas orgânicas de origens fósseis
(comparando-se com o ano de 1995), usadas como matérias-primas industriais, e
10% dos combustíveis líquidos, sejam derivados de uma indústria de produtos
biobaseados. Isto significa que mais de 90% do consumo de substâncias químicas
orgânicas nos Estados Unidos e até 50% de combustíveis líquidos seriam supridos
por produtos biobaseados (COMMITEE ON BIOBASED INDUSTRIAL PRODUCTS,
2000).
Os exemplos da Holanda e dos Estados Unidos podem ser adotados e
moldados à realidade de cada país, determinando, para os diferentes cenários, as
diretrizes e metas para o desenvolvimento e implementação de processos
sustentáveis de biomassa em um espectro de produtos comerciáveis e energia.
O desenvolvimento de tecnologias em biorrefinarias representa a chave para
uma produção integrada de alimentos, substâncias químicas, diferentes materiais e
combustíveis para o futuro, pois combinam biotecnologias e conversões químicas de
substâncias para processamento de biomassa em produtos intermediários e finais.
Este desenvolvimento é absolutamente necessário para que se utilize de forma
otimizada o menor volume de biomassa, disponível de forma geograficamente
dispersada, com maior eficiência e o menor impacto ambiental possível.
Estudos desse tipo se enquadram no que hoje é chamado de
desenvolvimento de biorrefinarias e têm recebido especial atenção, de maneira que
seus conceitos têm formado uma base de investimentos em pesquisas e
implementações nacionais e internacionais.
20
1. DESENVOLVIMENTO DE BIORREFINARIAS
Enquanto a matriz energética pode estar baseada em várias alternativas de
matérias-primas, como vento, sol, água, biomassa e nuclear, a economia de
substâncias fundamentalmente depende de biomassa, em especial a proveniente
das plantas. Alguns critérios são necessários para uma conversão industrial
significativa, assim como para pesquisas e desenvolvimento, devendo ser
consideradas as eficiências das matérias-primas e linhas de produtos, bem como a
sustentabilidade.
O conceito essencial de uma biorrefinaria é o de um processamento
sustentável em uma planta industrial que integra os processos de conversão de
biomassa para produzir combustíveis, produtos químicos de alto valor agregado e
energia (REE e ANNEVELINK, 2007).
Especialistas acreditam que as biorrefinarias possam vir a constituir uma
indústria-chave do século XXI, responsável até mesmo por uma nova revolução
industrial, em virtude da importância das tecnologias que empregam e dos efeitos
sobre o paradigma industrial para produções integradas. Essas tecnologias são
baseadas na utilização de toda a planta (todo o complexo de biomassa) e na
integração de processos tradicionais e modernos (KAMM, GRUBER et al., 2006a).
Muitos consideram a conversão desses materiais um dos maiores desafios dos
próximos cinqüenta anos, em que os líderes serão os que conseguirem desenvolver
tecnologias alternativas à economia do petróleo (CHEMICAL ENGINEERING, 2006).
O foco principal é dirigido aos chamados precursores: carboidratos, lignina, óleos, e
proteínas, e à combinação entre conversões biotecnológicas e químicas das
substâncias para a obtenção de produtos intermediários e finais.
As pesquisas e desenvolvimento de tecnologias em biorrefinarias são
necessários para aumentar a compreensão científica acerca dos recursos
provenientes da biomassa, além de melhorar a utilização desses recursos, otimizar a
eficiência e desempenho em conversão de sistemas sustentáveis para o
desenvolvimento de produtos biobaseados, criar um ambiente de mercado receptivo
ao emprego desses produtos, além da oportunidade de estimular o desenvolvimento
econômico de áreas rurais com grandes potencias de produção de biomassas.
21
1.1. MOTIVAÇÃO BRASILEIRA
O Brasil é reconhecido mundialmente pelo pioneirismo na introdução do
etanol em sua matriz energética, sendo um dos maiores produtores de álcool a partir
da biomassa, e é responsável por mais de 1 milhão de empregos diretos (PESSOA,
ROBERTO et al., 2005).
A partir da crise do petróleo, na década de 1970, o Governo brasileiro, numa
atitude isolada internacionalmente, criou o programa Proálcool, estimulando a
criação de uma indústria de bioetanol, e esse novamente recebeu atenção como
biocombustível de extrema utilidade. O percentual de álcool anidro misturado à
gasolina aumentou significativamente e o álcool etílico hidratado passou a ser
utilizado em veículos cujos motores foram especialmente desenvolvidos para esse
combustível. Isso conduziu o país a significativas melhoras econômicas, sociais e
científicas.
No ano de 1984, 94,5% dos carros brasileiros utilizavam bioetanol como
combustível. Porém, devido à crise de abastecimento ocorrida em 1989, esse
percentual reduziu-se em curto espaço de tempo para cerca de 2% e manteve-se
nesse patamar até o início de 2003 (PESSOA, ROBERTO et al., 2005).
A partir da crise, o consumo de álcool apresentou queda gradual, sendo um
dos motivos a alta no preço internacional do açúcar, o que desestimulou a
fabricação de álcool. Em 1991, com o produto escasseando no mercado, o governo
brasileiro iniciou a importação de etanol dos Estados Unidos ao tempo que ia
retirando, progressivamente, os subsídios à produção, promovendo a quase
extinção do Proálcool. Durante a década, com altas inesperadas no preço do
petróleo, o álcool seria misturado à gasolina como forma de amenizar o preço da
gasolina ao consumidor, além de servir de aditivo visando o aumento da octanagem
do combustível final.
No início do século XXI, na certeza de escassez e de crescente elevação no
preço dos combustíveis fósseis, priorizam-se novamente os investimentos na
produção de etanol por um lado e, por outro, um amplo investimento na pesquisa e
criação de novos combustíveis e produtos obtidos a partir da biomassa. Diante de
uma situação nacional antiga e inconstante, justamente causada pelas altas e baixas
do petróleo, as montadoras brasileiras aprofundaram as pesquisas e, dessa forma,
lançaram a tecnologia dos carros dotados de motor bicombustível, fabricados tanto
22
para o uso de gasolina quanto de álcool.
Em 2003 e 2004, 14,4 bilhões de litros de etanol foram produzidos no país e
consumidos por uma frota de aproximadamente 4,3 milhões de automóveis que
utilizavam o álcool. Desde sua implantação, os investimentos cumulativos do
Proálcool totalizam U$11 bilhões, e o país economizou U$27 bilhões em importação
de petróleo (PESSOA, ROBERTO et al., 2005).
Em 2003, uma das maiores indústrias brasileiras de etanol começou a
consumir cerca de 50% do bagaço residual da cana-de-açúcar para a produção de
energia elétrica (60MW), introduzindo uma nova proposta de bioenergia ao mercado
brasileiro (PESSOA, ROBERTO et al., 2005). Desde então, outras tecnologias para
usos comerciais do bagaço residual estão em desenvolvimento, sendo exemplos de
aplicação a utilização como matéria-prima na produção de fibras naturais,
adoçantes, proteínas, ácido lático, enzimas microbianas, dentre outros produtos
obtidos pela fermentação.
Assim, uma das principais razões para se focar no desenvolvimento de
biorrefinarias no Brasil, onde biomassa é produzida em grande quantidade, é que,
apesar de ainda permanecerem obstáculos técnicos ao uso de biomassa na
indústria de bioprodutos, até o momento, vários projetos de pesquisa foram
desenvolvidos, contribuindo para geração de dados úteis e criação de oportunidades
para novos produtos de alto valor-agregado, com uma utilização otimizada de
biomassa.
Outra razão importante é o fato que nosso país não só está produzindo para
seu mercado doméstico, mas também para mercados de exportação, pois o Brasil,
além de maior produtor e consumidor de etanol, é também o maior exportador no
cenário global. A expectativa é de que o consumo atual, da ordem de 33,7 bilhões
de litros por ano, salte para 79,4 bilhões em 2010. O Brasil consumiu 16,1 bilhões de
litros de etanol em 2005, e tem uma demanda projetada de 27 bilhões para 2010
(SIMÕES, 2006).
Sem dúvida, a necessidade de fornecer etanol para o mercado interno em
expansão e para o mercado internacional, que busca fontes renováveis de energia,
traz excelentes oportunidades para incrementos ainda maiores no crescimento do
setor. A estimativa é de uma expansão potencial das exportações brasileiras em 4
bilhões de litros, chegando então a 7 bilhões de litros exportados em 2012 / 2013,
contra os 3,1 bilhões vendidos hoje no mercado externo, o País poderá abastecer
23
cerca de 10% desse mercado, sendo virtualmente a única origem de etanol porque é
o único país com produção suficiente para exportar (SIMÕES, 2006).
Entretanto, diante dessa tendência, surge a preocupação relativa à expansão
da monocultura para os diferentes tipos de biomassas competitivas, que por sua vez
está vinculada à macroescala, ou seja, na centralização da produção em grandes
plantas industriais. Esta opção implica no desgaste de recursos humanos e
ambientais em função da monocultura danosa, baixa interação com a pecuária,
destruição da diversidade ecológica e das pequenas economias locais onde as
grandes indústrias se instalam, tendo um baixo poder de distribuição de renda
(ORTEGA, WATANABE et al., 2006).
A proposta de biorrefinarias descentralizadas é de grande interesse para o
atual cenário brasileiro, pois apresenta uma alternativa à monocultura em macro-
escala com produção em grandes plantas industriais. Esse modelo de produção
possui características que reúnem condições de integrar sistemas de produção de
bioprodutos, bionergia e alimentos de forma ecologicamente correta e socialmente
justa. A cultura diversificada é fundamental para a manutenção do bioma e também
proporciona segurança financeira para o produtor decorrente do aumento do seu
portfólio de produtos, podendo ainda ser combinada com a pecuária, e direcionada
ao aproveitamento integral de subprodutos, gerando fertilizantes, energia, outros
produtos intermediários ou finais de alto valor-agregado.
1.2. OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é apresentar uma avaliação dos estados de
desenvolvimento e empreendimentos em biorrefinarias que existem atualmente no
mundo; discutir qual é o conceito existente que melhor se adapta às necessidades
brasileiras, bem como propor um novo modelo de biorrefinaria com estrutura
descentralizada em duas ou três etapas, visando à otimização de um
processamento sustentável de biomassa para obtenção de um espectro de vários
produtos comerciáveis e energia.
24
1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Esta dissertação apresenta-se dividida em quatro capítulos, conforme
descritos a seguir.
O primeiro capítulo introduz aos conceitos básicos de biorrefinarias e a
motivação brasileira para pesquisas e desenvolvimentos na área, além de delinear o
objetivo do trabalho.
No segundo capítulo é apresentada a revisão bibliográfica acerca do assunto.
Os principais tópicos a serem abordados referem-se à biomassa como matéria-
prima, sua disponibilidade e principais fontes, às definições, conceitos e sistemas de
classificação das biorrefinarias, as principais rotas e produtos de interesse
obteníveis no processamento.
O terceiro capítulo apresenta uma metodologia para a tomada de decisões na
concepção e para a análise de viabilidade de um projeto conceitual de uma
biorrefinaria genérica, tendo como foco a proposta de uma estrutura descentralizada,
que utilize de forma otimizada à biomassa disponível de forma geograficamente
dispersada, considerando-se também as restrições de ordem ecológica, econômica
e tecnológica. Também é introduzida a metodologia de Douglas (1988) para avaliar
o potencial econômico das diferentes rotas do processo e de Peters e Timmerhaus
(1991) para uma avaliação econômica global do modelo proposto. Podendo assim
ser estruturado um problema de otimização, o qual sua solução aponta uma diretriz
a ser seguida para desenvolvimentos em biorrefinaria.
O quarto capítulo apresenta um estudo de caso propondo um modelo de
biorrefinaria a partir de microalgas. Com a sugestão de três diferentes cenários de
disponibilidade de CO
2
, são analisadas a síntese, produção anual, caracterização de
diferentes espécies, colheita e separação de microalgas comercialmente
disponíveis, além da análise do potencial de aplicação e potencial econômico das
diferentes rotas de processamento de forma a indicar as mais promissoras, sua
viabilidade, tipo de processo e produtos que devem ser focados.
As conclusões apresentam uma síntese e discussão dos principais resultados
obtidos em resposta aos objetivos do presente trabalho, bem como sugestões para
trabalhos futuros na área.
25
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. BIOMASSA NO BRASIL E NO MUNDO
A natureza é uma cadeia permanente de renovação de matérias-primas que
podem ser utilizadas na produção de substâncias químicas, diferentes materiais,
combustíveis, cosméticos e fármacos. Atualmente, muitos produtos industriais
resultam diretamente de tratamentos físicos, químicos, e biotecnológicos da
biomassa. Esses processamentos permitem a obtenção de produtos de valor como
etanol, butanol, acetona, ácido lático, ácido itacônico e aminoácidos. Porém, do total
de biomassa produzido anualmente, somente 3 a 3,5% são destinados às áreas
diferentes da alimentícia, como a química, por exemplo (ZOEBELEIN, 2007).
A Figura 1 apresenta os produtos e as classes de produtos que podem ser
obtidos a partir de matérias-primas biológicas.
As biomassas competitivas têm origens aquáticas, como as microalgas, e em
resíduos sólidos urbanos, animais, vegetais, industriais e florestais. Diferentes
tecnologias para o processamento e transformação de biomassas têm sido
apresentadas, mas todas as tecnologias atualmente usadas no mundo possuem
dois problemas cruciais: o custo da biomassa e a eficiência energética de sua cadeia
produtiva.
A Agência Internacional de Energia (AIE) calcula que dentro de
aproximadamente 20 anos cerca de 30% do total da energia consumida pela
humanidade será proveniente das fontes renováveis, que hoje representam 14% da
energia produzida no mundo, em que a biomassa tem 11,4% na participação da
oferta (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2004).
As principais regiões do mundo produtoras de energia da biomassa são a
Ásia e Austrália, América Latina e Caribe, sendo também as regiões com maior
potencial para incrementar o uso dessa fonte renovável. As regiões como Europa e
Oriente Médio têm a menor disponibilidade de biomassa e, consequentemente, a
produção de energia com essa fonte é a mais baixa no mundo (CORTEZ, LORA et
al., 2008).
A produção de energia da biomassa nessas regiões, de 1999 até 2003, é
apresentada na Tabela 1, que mostra um incremento do uso da biomassa como
26
fonte energética, acompanhada em paralelo pelo desenvolvimento da tecnologia e
pela redução dos custos, motivados pela alta dependência de petróleo e
necessidade de redução dos gases de efeito estufa.
Figura 1: Esquema dos produtos e classes de produtos obtidos a partir de
matérias-primas biológicas.
Baseado em: Principles of biorefineries (KAMM e KAMM, 2004).
27
Tabela 1: Produção de energia da biomassa nas principais regiões do mundo
(10
6
equivalente barril de petróleo, ou bep).
Anos África
América
do Norte
Ásia e
Austrália
Europa
Ocidental
América
Latina
Oriente
Médio
Rússia
–
Europa
Ocidental
Total
1999
721,20 591,71 1.545,39 253,42 700,25 7,93 310,36 4.130,26
2000
722,64 593,55 1.548,49 253,93 678,54 7,93 310,98 4.116,06
2001
724,08 595,40 1.551,58 254,44 697,41 7,93 311,60 4.142,44
2002
725,53 597,26 1.554,68 254,95 712,78 7,93 312,23 4.165,36
2003
726,98 599,12 1.557,79 255,46 764,33 7,93 312,85 4.224,46
Fonte: World energy production. Year base 2003 (OLADE, 2004).
A Tabela 1 mostra a região da América Latina como a que mais incrementou
a produção de energia com a biomassa, em média 2,28% por ano. O crescimento
médio mundial é 0,57% ao ano.
2.1.1. Fontes de Biomassa
A biomassa pode ser obtida de vegetais não-lenhosos, de vegetais lenhosos,
como é o caso da madeira e seus resíduos, e também de resíduos orgânicos, nos
quais encontramos os resíduos agrícolas, animais, urbanos e industriais. Assim
como também se pode obter biomassa dos biofluidos, como óleos vegetais de
mamona, soja ou microalgas, por exemplo.
A Figura 2 apresenta um esquema das principais fontes de biomassa.
A principal fonte para o aproveitamento de biomassa está nos resíduos. Os
resíduos gerados em todo mundo, sob uma adequada exploração, são recurso de
grande potencial para a obtenção de produtos e energia.
Houve muitas tentativas de estimar a produção e o uso dos resíduos globais,
mas todas apresentam muitas variações, pela existência de diferentes usos
alternativos, como a ração animal, controle de erosão, o uso como fertilizante e
medicinal; e também pela necessidade de se determinar o que é ou não um resíduo
reutilizável, e assim determinar sua verdadeira disponibilidade.
Os principais resíduos utilizados em nível mundial são resíduos vegetais, que
ultrapassam 10 x 10
9
bep (CORTEZ, LORA et al., 2008).
28
Figura 2: Esquema das fontes de biomassa.
Adaptado de: Biomassa para Energia (CORTEZ, LORA et al., 2008).
Atualmente a produção mundial dos principais produtos agrícolas utilizados
na obtenção de produtos e energia é grande, e tem muitas possibilidades de
incrementar sua competitividade, como é apresentado na Tabela 2, que mostra o
total de produção processada, e a produção de resíduos resultante de cada cultura,
após a separação.
Tabela 2: Produção mundial dos principais produtos para a obtenção de
energia.
Matéria-prima
Produção
(Mt)
Resíduos
Produção de Resíduos
(Mt)
Cana
1.318.178.070 Bagaço 395.453.421
Arroz
608.496.284 Casca 172.934.643,9
Mandioca
195.574.112 Rama 58.261.527,96
Milho
705.293.226 Palha e sabugo 934.442.995,1
Soja
206.409.525 Restos de cultura 320.966.811,4
Algodão
67.375.042 Restos de cultura 16.843.760,5
Adaptado de: Biomassa para Energia (CORTEZ, LORA et al., 2008).
29
No caso da cana-de-açúcar, considera-se que após o processamento, 70%
da produção seja extraída na forma de caldo, enquanto os 30% remanescentes são
considerados resíduos na forma de bagaço, essa separação é feita após o
processamento primário de extração do caldo da cana, assim, a produção de
resíduos está incluída no total da produção processada de cana. No caso das
demais culturas apresentadas, a separação é feita logo após a colheita e antes do
processamento, assim, o total da produção processada não contempla a quantidade
de resíduos gerados para essa cultura.
A cana-de-açúcar é a matéria-prima de maior produção em todo o mundo. A
produção está encabeçada pelo Brasil, com quase 400 milhões de toneladas de
produção anual, seguido por Índia, China, Tailândia, Paquistão e México (CORTEZ,
LORA et al., 2008).
Outros resíduos importantes são os resíduos sólidos urbanos e industriais,
mas é difícil desenvolver uma análise relevante em âmbito mundial, dado que sua
natureza compreende muitos materiais orgânicos e não-orgânicos, e a proporção da
composição dos resíduos varia de acordo com o nível econômico e o
desenvolvimento industrial de cada país, e também pelos diversos destinos desses
resíduos.
Os resíduos florestais constituem parte importante na disponibilidade da
biomassa em alguns países pelas grandes quantidades geradas na colheita e na
ação industrial. Essa fonte está encontrando mercado, em conseqüência do
desenvolvimento tecnológico e dos baixos custos que representa sua utilização
eficiente.
Os resíduos animais representam importante quantidade de matéria-prima
para a obtenção de energia gerada pelos principais rebanhos (bovino, ovino e
suíno), e os países que possuem maior possibilidade para o seu aproveitamento são
o Brasil, com os bovinos, e a China, com os ovinos e suínos, ultrapassando 160
milhões de cabeças para cada rebanho (CORTEZ, LORA et al., 2008).
Quando se busca determinada disponibilidade de biomassa para obtenção de
produtos e energia em um país ou região, é importante considerar as restrições de
ordem ecológica, econômica (incluindo a social e política) e tecnológica. Somente
assim toda a biomassa potencialmente disponível pode assumir o conceito de
reserva, a partir do qual se determina o potencial anual de produção. As restrições
ecológicas estão associadas à preservação do meio ambiente e à qualidade de vida.
30
As limitações econômicas são analisadas em dois níveis. Em primeiro lugar é
necessário saber se a biomassa a ser explorada não tem outros usos mais
econômicos (industrial ou alimentício). Em segundo lugar, se todos os custos da
biomassa explorada são compatíveis com os benefícios energéticos e comparáveis
com os demais combustíveis. Finalmente as restrições tecnológicas se devem à
existência ou não de processos confiáveis e operações para conversão da biomassa
em produtos e combustíveis de uso mais geral.
2.1.2. Biomassas Competitivas no Brasil
Atualmente, a segunda principal fonte de energia no Brasil é proveniente da
biomassa. Na utilização das energias renováveis, o Brasil é dos poucos países no
mundo com potencial para substituir as energias fósseis.
Na Tabela 3 mostra-se a produção de energia primária. A biomassa, com
índice de 32,7%, situa-se como a segunda fonte energética primária, atrás do
petróleo e derivados, que representam 41,9%.
Tabela 3: Produção de energia primária no Brasil em 2003.
Identificação % 10
6
bep
Petróleo
41,9 77,2
Biomassa
32,7 60,1
Hidráulica
14,3 26,3
Gás natural
8,5 15,7
Urânio
1,5 2,7
Outros
1,1 1,9
Fonte: Balanço Energético Nacional, 2004, Ano Base 2003 (MINISTÉRIO DE
MINAS E ENERGIA, 2004).
Na produção de energia da biomassa estão incluídos álcool, carvão vegetal,
bagaço, lenha e outros, que somam 60,1 x 10
6
bep. Os produtos da cana-de-açúcar
apresentaram maior crescimento na produção de energia primária da biomassa.
Entre 2002 e 2003 a produção de álcool cresceu 15%, atingindo 249,3 x 10³ barris
por dia (CORTEZ, LORA et al., 2008).
31
Atualmente, as tecnologias mais utilizadas para geração de energia elétrica a
partir da biomassa são a combustão direta acoplada a um ciclo de vapor e a
gaseificação. A primeira é altamente demandada pelo setor sucroalcooleiro, em que
o consumo de bagaço de cana cresceu 11,6%, atingindo 97,3 x 10
6
toneladas. Esse
aumento no consumo ajudou o Brasil a dominar as tecnologias de projeto e
fabricação, sendo hoje capaz de produzir os componentes a custos
internacionalmente competitivos. Embora a maioria das plantas trabalhe com
sistemas de cogeração, seus projetos primaram pela maximização do consumo da
biomassa, produzindo apenas a quantidade de energia suficiente para as
necessidades internas da usina (CORTEZ, LORA et al., 2008).
Os principais consumidores de energia térmica e elétrica produzidas pela
combustão da biomassa são a indústria, com 51,9%; o setor residencial, com 16,8%,
que vem baixando o consumo ao longo do tempo, por representar uma utilização de
biomassa insustentável; o setor energético, com 14,7%; e o de transportes, com
11,5%, que experimentou queda principalmente pelo consumo do álcool hidratado
(CORTEZ, LORA et al., 2008).
Para que esse crescimento continue e o uso da biomassa no Brasil seja
otimizado, é preciso que, além do avanço tecnológico, sejam desenvolvidos modelos
de gestão que garantam a sustentabilidade técnica, econômica e ambiental dessa
fonte energética.
As principais fontes de biomassas competitivas no Brasil são os resíduos
vegetais, resíduos sólidos urbanos, resíduos industriais, resíduos animais e
florestais, além de uma alternativa emergente que tem recebido especial atenção, as
microalgas, sendo cada uma dessas fontes abordadas a seguir.
2.1.2.1. Resíduos vegetais
Os resíduos vegetais são produzidos no campo, resultantes das atividades de
colheita dos produtos agrícolas. O Brasil é um grande produtor agrícola, e nos
últimos anos a área plantada e a produção agrícola tiveram um crescimento
importante.
Essa produção agrícola gera uma grande quantidade de resíduos que podem
ser aproveitados em virtude das tecnologias existentes. Mas atualmente o Brasil não
aproveita mais de 200 milhões de toneladas de resíduos agroindustriais (CIRAD,
32
2004). Parte dos resíduos não aproveitados encontra uso na ração animal, e nas
áreas de medicina e fertilizantes.
Os resíduos agrícolas são constituídos basicamente de palha, folhas e caules,
e têm um poder calorífico médio de 15,7MJ/kg de matéria seca (CORTEZ, LORA et
al., 2008).
A Tabela 4 apresenta dados de produção das principais matérias-primas no
Brasil no ano base de 2004, a quantidade de produções agrícolas, produção de
resíduos em base úmida, e produção total de resíduos com potencial de uso em
biorrefinarias.
Tabela 4: Produção de matéria-prima e seus resíduos no Brasil em 2004.
Matéria-Prima
Agrícola
(t)
Produção
de
Resíduos
(t/Ha)
Matéria Seca
(%)
Produção
Total
de Resíduos
(t)
Cana (bagaço)
396,012.158 7,0 – 13,0 23,4 59.401.824
Arroz (casca)
10.334.603 4,0 – 6,0 89,0 2.937.094
Café (casca)
2.454.470 - - 1.662.658
Mandioca (rama)
21.961.082 6,0 – 10,0 90,4 6.542.206
Milho (palha e sabugo)
48.327.323 5,0 – 8,0 90,5 64.028.870
Soja (restos de cultura)
51.919.440 3,0 – 4,0 88,5 80.746.839
Mamona
111.100 - - -
Algodão
2.199.268 - - -
Fonte: Biomassa para Energia (CORTEZ, LORA et al., 2008).
De acordo com o levantamento sistemático da produção agrícola feito pelo
IBGE, para as safras de 2003 e 2004, a região Nordeste responde por 7,87% da
produção total, e as regiões Norte, Sudeste e Centro-Oeste são responsáveis,
respectivamente, por 2,40%, 13,30% e 32,03%; a região Sul tem a participação de
44,40% na produção de cereais, leguminosas e oleaginosas do Brasil, sendo seus
principais produtos o arroz, o qual tem 47% da produção concentrada no estado,
feijão, milho e soja. Constatou-se um crescimento médio de 12,22% em comparação
à safra anterior no país (IBGE, 2004a).
Dos principais fatores de crescimento, tem-se o zoneamento, refletido num
melhor planejamento da ação agrícola, permitindo economia dos recursos e menor
33
expectativa de frustração da safra; e também as tecnologias desenvolvidas nos
últimos anos no país.
2.1.2.2. Resíduos sólidos urbanos
Os resíduos sólidos urbanos são obtidos dos resíduos domiciliares e
comerciais. Segundo a Veja Engenharia, empresa de limpeza pública de atuação
nacional, há um crescimento em torno de 5% ao ano na quantidade de lixo gerado
(CORTEZ, LORA et al., 2008).
Segundo a Companhia de Tecnologia de Saneamento ambiental (CETESB),
para estimar a quantidade de resíduos sólidos dispostos, adotaram-se os índices de
produção por habitante no estado de São Paulo, o que é mostrado na Tabela 5.
Tabela 5: Índices de produção per capita de resíduos sólidos domiciliares em
função da população urbana.
População
Produção
(kg/hab.dia)
Até 100.000
0,4
De 100.001 a 200.000
0,5
De 200.001 a 500.000
0,6
Maior que 500.001
0,7
Fonte: Inventário Estadual de Resíduos Sólidos Domiciliares (CETESB,
2008).
Verifica-se que, quanto maior a população, maior a quantidade per capita de
resíduos domiciliares que ela gera. Dentre os fatores que determinam essas
diferenças pode-se citar o tipo de atividade produtiva predominante no município,
nível sócio econômico, sazonalidade de ocupação, existência de programas de
coleta seletiva e de ações governamentais que objetivem a conscientização da
população quanto à redução da geração de resíduos.
Em pesquisa feita no ano de 2008, a CETESB coletou as informações dos
645 municípios do estado de São Paulo. Essas informações permitiram conhecer o
índice de Qualidade de Aterros de Resíduos (IQR), cuja pontuação varia de 0 a 10.
Já as quantidades de resíduos gerados nos municípios foram calculadas com base
34
na população urbana de cada cidade e nos índices de produção de resíduos por
habitante. Como referência oficial do número de habitantes, foi adotado o censo
demográfico do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), publicado em
2000 e atualizado para 2008, com a aplicação de índices de crescimento fornecidos
pelo próprio IBGE. Foram considerados os resíduos de origem domiciliar, ou seja,
aqueles gerados nas residências, no pequeno comércio e em empreendimentos de
pequeno porte.
A Tabela 6 apresenta a distribuição do IQR médio em 2008.
Tabela 6: Geração de resíduos domiciliares nos municípios de São Paulo.
População do Município
(habitantes)
IQR Médio
(2008)
Municípios
Resíduos
Gerados
(t/dia)
% de Resíduos
Até 100.000
7,9 575 3.730 13,5
De 100.001 a 200.000
8,4 33 2.202 8,0
De 200.001 a 500.000
8,4 28 4.864 17,6
Maior que 500.001
8,9 9 16.832 60,9
Total
- 645 27.629 100,0
Fonte: Inventário Estadual de Resíduos Sólidos Domiciliares (CETESB,
2008).
O total de produção de resíduo domiciliar gerado em São Paulo é de 27.629
toneladas por dia. O IQR mostra que nas maiores cidades do estado existem
condições mais adequadas nos aterros sanitários, mas no geral a maioria dos
municípios do estado tem suas condições controladas no tratamento e/ou na
destinação dos resíduos sólidos domiciliares.
O teor de matéria orgânica (C, H, O, N) do lixo brasileiro está em 60%
aproximadamente, o que lhe confere bom potencial energético. O Poder Calorífico
Inferior (PCI) médio do resíduo domiciliar é de 1.300 kcal/kg, o que equivale a 5,44
MJ/kg (CORTEZ, LORA et al., 2008). Porém, deve-se salientar que o poder calorífico
dos resíduos agrícolas é aproximadamente 3 vezes maior que o dos resíduos
domiciliares, ou seja, 3 kg de resíduo domiciliar se equivalem a aproximadamente 1
kg de resíduo agrícola.
35
2.1.2.3. Resíduos industriais
Os resíduos industriais são considerados aqueles provenientes do
beneficiamento de produtos agrícolas e florestais, do uso do carvão vegetal no setor
siderúrgico de ferro-gusa e aço e do gás de alto-forno a carvão vegetal.
A indústria madeireira (serrarias e mobiliário) produz resíduos a partir do
beneficiamento de toras. Os tipos de resíduos produzidos são casca, cavaco,
costaneira, pó de serra, maravalha e aparas. As indústrias de alimentos e de
bebidas produzem resíduos na fabricação de sucos e aguardente (laranja, caju,
abacaxi, cana-de-açúcar e etc.), no beneficiamento de arroz, café, trigo, milho
(sabugo e palha), coco da Bahia, amendoim, castanha de caju, etc.
Hoje, o uso energético dos resíduos agroindustriais é obtido, na maioria dos
casos, por meio da queima direta em fornos e caldeiras ou, de maneira mais
inovadora, através da biodigestão anaeróbia.
O que determina o processo utilizado de conversão energética dos resíduos é
seu teor de umidade, pois, em termos práticos, só é possível queimar resíduos com
até 50% de umidade. Então, resíduos como os resultantes da produção do álcool,
efluentes de matadouros, derivados do leite, dentre outros, são apropriados para a
produção de biogás (CORTEZ, LORA et al., 2008).
A Tabela 7 apresenta um resumo das características de três dos principais
resíduos industriais não aproveitados pelas indústrias brasileiras, seus poderes
caloríficos, umidades e capacidades de suprimento energético na forma de vapor e
eletricidade.
Tabela 7: Disponibilidade de resíduos agroindustriais.
Resíduos Produção
Poder Calorífico
Superior
(MJ/kg) base seca
Disponibilidade
(%)
Bagaço de cana-de-açúcar
250 – 300 kg/t cana 18,4 100
Licor negro
2,5 – 2,8 t/t celulose 12,5 80
Borra de café
4,5 t/t café solúvel 14,6 60 a 80
Fonte: Biomassa para Energia (CORTEZ, LORA et al., 2008).
No setor de papel e celulose, existem indústrias individuais de papel e de
36
celulose, e também indústrias integradas, ou seja, que produzem ambos os
produtos. Haverá nesses casos diferenças nos tipos de resíduos produzidos. Ainda
assim, em linhas gerais, esse setor produz como resíduos a casca, cavaco e lixívia.
Existem 220 companhias no Brasil com unidades industriais localizadas em 16
estados, utilizando madeira de reflorestamento, das espécies eucalipto (62%) e
pínus (36%) (CORTEZ, LORA et al., 2008).
O setor siderúrgico a carvão vegetal também possui unidades integradas que
produzem ferro-gusa e aço. O ferro-gusa é um produto intermediário para a
produção do aço e importante produto de exportação. O gás de alto-forno é
produzido durante a reação do carbono do carvão vegetal com o ferro do minério de
ferro e reutilizado no processo, possibilitando o reaproveitamento do calor.
A siderurgia a carvão vegetal é responsável por cerca de 30% da produção
siderúrgica brasileira e está concentrada principalmente no estado de Minas Gerais,
com algumas unidades no Espírito Santo, Maranhão, Pará, Pernambuco, Rio
Grande do Norte e Mato Grosso do Sul (CORTEZ, LORA et al., 2008).
Os resíduos industriais no Brasil ainda são pouco controlados, o que revela
que o país desconhece dados sobre a própria geração de resíduos industriais. Dos
5.471 municípios do país, apenas 551 fizeram o controle dos resíduos gerados pelo
setor produtivo privado em 2003, e 1,4 milhão de toneladas de resíduos foi gerado
somente nos principais pólos industriais do Brasil. De acordo com esse estudo, são
geradas anualmente no Brasil aproximadamente 2,9 milhões de toneladas de
resíduos sólidos industriais, sendo 600 mil toneladas, um valor próximo de 22%, que
recebem tratamento adequado (CORTEZ, LORA et al., 2008).
2.1.2.4. Resíduos animais
São determinados pela capacidade de produção de excrementos das criações
mais importantes. Essa produção de excrementos varia de acordo com as práticas
de manejo, pois, no caso de criações em confinamento, o custo e a viabilidade da
coleta são consideravelmente melhorados.
Os mais importantes resíduos gerados pela atividade biológica são os do
gado bovino, suíno, caprino e ovino que são criações relevantes e justificam seu
aproveitamento energético (CORTEZ, LORA et al., 2008). Além dos usos
energéticos, os dejetos são utilizados como fertilizantes, diminuindo a poluição e
37
melhorando as características físicas, químicas e biológicas do solo.
Na Tabela 8 é apresentada a quantidade de animais vivos por tipo de rebanho
no Brasil nos anos de 2003 e 2004, enquanto a Tabela 9 apresenta a quantidade de
excremento produzido por tipo de rebanho.
Tabela 8: Efetivo dos rebanhos em 2004 comparativamente a 2003 no Brasil.
Fonte: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Pesquisa da Pecuária
Municipal (IBGE, 2004b).
Tabela 9: Quantidade de excremento produzido por diferentes animais.
Animal
Massa Animal
(kg)
Volume
Excremento
(m
3
/dia)
Massa
Ú
mida
Excremento
(kg/dia)
Matéria Seca
(%)
Gado de corte
500 0,028 – 0,037 27,7 – 36,6 10
Gado de leite
500 0,031 – 0,035 30,2 – 35,0 10
Suínos
100 0,0056 – 0,0078 5,4 – 7,6 10
Equinos
500 0,025 28,0 20
Aves
2,5 0,00014 – 0,00017 0,14 – 0,17 20
Fonte: Biomassa para Energia (CORTEZ, LORA et al., 2008).
Rebanho Efetivo 2003 Efetivo 2004 Variação 2004/2003
Bovino
195.551.576 204.512.737 4,58
Suíno
32.304.905 33.085.299 2,42
Equino
5.828.376 5.787.250 -0,71
Asinino
1.208.660 1.196.324 -1,02
Muar
1.345.389 1.358.419 0,97
Bubalino
1.148.808 1.133.622 -1,32
Caprino
9.581.653 10.046.888 4,86
Coelhos
335.555 324.582 -3,27
Ovino
14.556.484 15.057.838 3,44
Galinhas
183.799.736 184,786,319 0,54
Galos, frangas, frangos e pintos
737.523.096 759.512.029 2,98
Codornas
5.980.474 6.243.202 4,39
38
Verifica-se que o gado bovino e o suíno são os principais rebanhos criados no
país, destacando-se o gado bovino no maior volume de excremento produzido, além
de ser o rebanho com maior quantidade de cabeças de gado vivas.
Além do uso de biodigestores, o esterco seco pode ser queimado
diretamente, tendo um poder calorífico típico de 14,6 MJ/kg (CORTEZ, LORA et al.,
2008).
2.1.2.5. Resíduos florestais
Os resíduos florestais são constituídos por todo aquele material que é deixado
para trás na coleta da madeira, tanto em florestas e bosques naturais como em
reflorestamento, e pela serragem e aparas produzidas no processamento da
madeira. Esses resíduos deixados no local de coleta são as folhas, os galhos, e o
material resultante da estoca.
Para todos esses casos, incluindo o dos resíduos de serragem, que pode ser
superior à produção de madeira trabalhada, deve ser assumido o poder calorífico da
madeira de 13,8 MJ/kg de resíduo produzido (CORTEZ, LORA et al., 2008).
O Brasil tem 5 milhões de quilômetros quadrados de floresta nativa, o que
representa 64% de sua área e, segundo a Food and Agriculture Organization of the
United Nations (FAO), 29 mil km
2
de seu território são reflorestados com eucalipto, o
que coloca o país em segundo lugar nesse ranking, atrás da Índia (FAO, 2004). O
Brasil é o maior produtor de madeira proveniente de bosques cultivados (sobretudo
de eucalipto), com mais de 2.965.000 ha e uma área plantada de pínus de 1.840.050
ha (SOCIEDADE BRASILEIRA DE SILVICULTURA, 2001). Estima-se que 1 milhão
de hectares estão destinados à produção de lenha e carvão vegetal (FAO, 2004).
Neste momento não é fácil obter estatísticas precisas sobre os resíduos
florestais no Brasil, já que o volume e os tipos de pedaços e/ou fragmentos gerados
são dependentes de vários fatores, dos quais se destacam o diâmetro das toras e o
uso final das peças serradas.
De modo geral, os resíduos gerados em uma cadeia produtiva de serrados
constituem-se 7% de casca, 10% de serragem e 28% de pedaços, isso sem
considerar as perdas na extração da madeira. Por exemplo, só com o setor de
primeira transformação dos bosques tropicais na região da Amazônia, estima-se que
quase 50 milhões de m³ de troncos são transformados ao redor de 20 milhões de
39
toneladas de madeira serrada (CORTEZ, LORA et al., 2008).
Os cerrados são o principal destino da madeira. Então um mínimo de 18
milhões de toneladas de resíduos de madeira ficaria nas serrarias. Se essa
quantidade for somada aos resíduos de madeira provenientes do processamento
industrial e da exploração florestal sustentável no país todo, a quantidade de
resíduos pode chegar a 50 milhões de toneladas/ano (CORTEZ, LORA et al., 2008).
A Tabela 10 indica o consumo de madeira industrial em toras no Brasil no ano
de 2001.
Tabela 10: Consumo industrial de madeira em toras no Brasil (1.000m
3
).
Produto Nativas Plantadas Total
Celulose e papel
- 32.000 32.000
Carvão vegetal
11.800 33.400 45.200
Lenha industrial
16.000 13.000 29.000
Serrados
34.000 15.100 49.100
Lâminas e compensados
2.050 3.960 6.010
Painéis reconstituídos
(aglomerados, chapas de fibra e MDF)
- 5.000 5.000
Total
63.850 102.460 166.310
Fonte: Estatísticas do setor florestal brasileiro (SOCIEDADE BRASILEIRA DE
SILVICULTURA, 2001).
Em 2003 a madeira diretamente utilizada pelas indústrias para a geração de
energia no Brasil atingiu 4 milhões de m³, conforme é apresentado na Tabela 11.
Tabela 11: Volume de madeira consumida pelas empresas para a geração de
energia.
Gênero
Volume
(m
3
)
Eucalípto
1.823.204
Pínus
2.013.607
Araucária
1.451
Outros
531.475
Total
4,369,738
Fonte: Associação Brasileira de Celulose e Papel (BRACELPA, 2004).
40
Na última década, porém, o setor experimentou um salto tecnológico
surpreendente, que resultou no aprimoramento de técnicas de plantação, manejo e
exploração. E como conseqüência, em 2000, o setor de papel e celulose tinha toda a
sua matéria-prima proveniente de reflorestamento.
O fornecimento para o setor de produção de carvão vegetal saltou, em uma
década, de 34% para 72%. Na Tabela 11, observa-se que o eucalipto ainda não
representa a principal fonte de energia para as indústrias, mas já apresenta menor
tempo de crescimento (4 a 8 anos) depois do replante para sua disponibilidade
industrial e energética, ao contrário do pínus, cujo crescimento leva em torno de 12
anos, mas tem o maior volume de consumo para a geração de energia nas
indústrias brasileiras, fato que se deveria mudar na procura de uma exploração
sustentável (CORTEZ, LORA et al., 2008).
2.1.2.6. Biomassa Aquática
Uma alternativa emergente é a utilização de biomassa aquática. Estima-se
que da produção primária global de biomassa 50% seja terrestre e 50% aquática.
Atualmente as políticas de governo têm focado quase que exclusivamente o uso de
biomassa terrestre, dando pouca atenção às culturas aquáticas, tendo como
exemplos as microalgas, que englobam as diatomáceas, algas verdes, douradas e
azuis, além das macroalgas, que abrangem as algas marinhas marrons, vermelhas e
verdes, e seus produtos derivados(CARLSSON, BEILEN et al., 2007).
As microalgas apresentam características de especial interesse que motivam
sua utilização: além de seqüestrarem CO
2
, necessário ao seu crescimento, não
competem com culturas alimentares, podem ser produzidas em qualquer tipo de
terreno, inclusive em zonas áridas, reproduzem-se de forma exponencial e cuja
duplicação se faz em torno de um dia em condições não otimizadas de cultivo, em
qualquer tipo de água (salgada, salobra ou residual), em qualquer período do ano,
sem riscos de perdas por alterações climáticas, necessitando de pouco mais do que
luz solar e CO
2
, podendo ser colhidas todos os dias, alcançando maiores
produtividades do que culturas terrestres.
As diatomáceas são a forma de vida dominante no fitoplâncton e
provavelmente representam o maior potencial de biomassa do planeta(CARLSSON,
BEILEN et al., 2007). É estimado que existam mais de 100.000 espécies.
41
Dependendo do tipo de alga escolhido e as condições de crescimento, a biomassa
marinha pode fornecer quantias significantes de produtos biobaseados, tendo como
exemplos óleos, carboidratos, amido e vitaminas. As diatomáceas frequentemente
acumulam óleos, as algas verdes acumulam amidos e óleos, e enquanto as algas
douradas, óleos e carboidratos.
Diferentes estudos realizados mostram que as microalgas possuem o mais
elevado rendimento para extração de óleo vegetal, tornando-se uma excelente
alternativa para a extração de óleo para biocombustíveis, devido à sua elevada
densidade de lipídios comparada com as oleaginosas, tais como a canola, soja,
palma, girassol, etc. Dessa forma, as microalgas poderiam teoricamente produzir
mais óleo por hectare e reduzir o custo dos biocombustíveis.
Culturas aquáticas oferecem a possibilidade de aumentarem
significativamente a disponibilidade de biomassa, fato que norteia as pesquisas de
obtenção e processamento eficientes de biomassa. Hoje, as pesquisas em
tecnologia de produção de microalgas buscam a melhor espécie a ser cultivada, o
melhoramento genético e a diminuição dos custos de produção, colheita e
processamento, além de estarem sendo desenvolvidos interessantes conceitos de
cultivo e processamento em infraestruturas offshore. Outro tópico em crescente
discussão é a produção e sustentabilidade global de biocombustíveis a partir dessas
culturas.
A Tabela 12 apresenta o rendimento de extração de óleo vegetal para as
microalgas e as principais oleaginosas produzidas.
Tabela 12: Rendimento de extração de óleo vegetal.
Oleaginosa
Rendimento de Óleo
(t/ha ano)
Mamona 0,5 – 1,0
Soja 0,2 – 0,6
Girassol 0,5 – 1,5
Canola 0,5 – 0,9
Pinhão manso 2,0 – 3,0
Óleo de palma (dendê) 3,0 – 6,0
Microalgas 50 - 150
Fonte: Biodiesel de Microalgas (PÉREZ, 2007).
42
Pela Tabela 12, verifica-se que as microalgas poderiam, teoricamente,
produzir até 150 toneladas de óleo por hectare ao ano. Comparando-as com a
oleaginosa de maior rendimento em óleo – a palma – tem-se um fator de vantagem
de 25 vezes, quando as algas são cultivadas em piscinas ou lagoas abertas.
Para o cultivo de microalgas tanto sistemas de lagoa aberta, quanto
fotobiorreatores fechados têm sido usados e desenvolvidos. A vantagem de usar
fotobiorreatores é o potencial de maiores taxas de produção, sendo os custos de
investimento relativamente altos uma desvantagem, quando comparados à forma
extensiva de produção. A vantagem de usar sistemas de lagoa aberta é a sua
estrutura simples e relativamente baixo investimento, uma desvantagem é o risco de
contaminação da cultura de algas por bactérias ou outros micro-organismos.
Produtividades anuais de 10 a 30 e 50 a 60 toneladas de base seca por hectares
cultivados, para sistemas abertos e fotobiorreatores, respectivamente, já têm sido
registrados(CARLSSON, BEILEN et al., 2007). Outros autores já consideraram
cenários com maiores produtividades: 127 (CHISTI, 2007) e de 50 a 60 toneladas de
base seca por hectare cultivado (SIALVE, BERNET et al., 2009) poderiam ser
obtidos de sistemas abertos, e 150 (SIALVE, BERNET et al., 2009) a valores acima
de 263 toneladas de base seca por hectare (CHISTI, 2007) para fotobiorreatores.
A colheita da biomassa pode representar de 20 a 30% dos custos totais da
biomassa, sendo os processos convencionais utilizados para colheita de microalgas
a centrifugação, fracionamento de espuma, floculação, filtração por membrana e
separação com ultrasom (BOWLES, 2007; CARLSSON, BEILEN et al., 2007).
O cultivo de microalgas para a obtenção de biomassa e de seus produtos de
síntese é uma atividade industrial estabelecida em escala comercial em alguns
países. Além das substâncias conhecidas, ainda não foram identificados vários
compostos de interesse comercial que podem ser obtidos a partir de microalgas.
Porém, existe a necessidade de mais pesquisas visando o desenvolvimento e,
principalmente, o aperfeiçoamento dos sistemas de produção em escala comercial,
a fim de tornar comercialmente viáveis alguns dos sistemas conhecidos.
2.2. PRINCÍPIOS DE BIORREFINARIA
A petroquímica se baseia no princípio da geração, a partir de hidrocarbonetos,
de produtos quimicamente puros, de fácil manipulação e bem definidos nas
43
refinarias. Um sistema baseado em famílias de produtos foi construído para as
diferentes linhas de produção, no qual substâncias químicas de base, produtos
intermediários e também mais complexos são obtidos. Este princípio, empregado
nas refinarias de petróleo, tem sido empregado também para as biorrefinarias.
Uma refinaria tradicional, que utiliza petróleo como matéria-prima, abastece
principalmente combustíveis de transporte e energia, e somente uma fração
relativamente pequena é direcionada para a química. Através de processos de
biorrefinarias uma quantia relativamente maior pode ser direcionada para a química
e produção de materiais. Porém, produtos biobaseados só podem competir com
produtos petroquímicos quando os recursos da biomassa são processados de forma
otimizada através de sistemas de biorrefinarias (KAMM, GRUBER et al., 2006b).
Um paralelo entre os conceitos de uma refinaria de petróleo tradicional e de
uma biorrefinaria são esquematicamente representados na Figura 3.
Na literatura disponível, dependendo do tipo de atividade e público alvo
envolvido, podem-se encontrar várias definições para biorrefinarias, como por
exemplo: “Biorrefinaria é a separação da biomassa em componentes distintos, os
quais podem ser individualmente fornecidos ao mercado tanto diretamente após a
separação, como após tratamentos adicionais, como biológico, termoquímico ou
químico.” (ELBERSEN, SANDERS et al., 2003).
Figura 3: Esquema de paralelo entre o conceito de refinaria e o de
biorrefinaria.
Baseado em: Status Report Biorefinery 2007 (REE e ANNEVELINK, 2007).
44
A Figura 4 apresenta um esquema da visão geral dos princípios de uma
biorrefinaria.
Figura 4: Esquema da visão geral dos princípios de uma biorrefinaria.
Baseado em: Transitiepad "Bioraffinage" (ELBERSEN, SANDERS et al.,
2003).
Biorrefinaria pode ser conceituada de uma forma mais abrangente como
sendo o processo sustentável de transformação de biomassa em um espectro de
produtos comerciáveis de maior valor agregado e energia. Na chamada biorrefinaria
primária tem-se a alimentação de biomassa que, após pré-tratamento e a separação
primária obtém-se os produtos primários, que são diretamente comerciáveis, e os
intermediários, que se tornam comerciáveis após tratamentos adicionais e
separações na biorrefinaria secundária.
2.2.1. Precursores
A biomassa, assim como o petróleo, apresenta uma composição complexa,
sendo apropriado fazer uma separação primária dos principais grupos de
substâncias que a compõem.
Sendo sintetizada na natureza, a biomassa apresenta uma correlação de
C:H:O:N diferente do petróleo. Os tratamentos e processamentos subseqüentes
desses compostos conduzem a uma gama de diferentes produtos. Explorar as
possibilidades de conversão biotecnológica e química desses compostos, tem se
45
mostrado como um dos desenvolvimentos de maior interesse na área.
A biomassa pode ser separada dentro do processo de tal maneira que já pode
ser adaptada à finalidade do processamento subseqüente para a obtenção dos
produtos de interesse. Para esses produtos o termo “precursores” é usado (KAMM e
KAMM, 2007).
A biomassa proveniente de plantas consiste em produtos básicos, como
carboidratos, lignina, proteínas e lipídios, além de várias outras substâncias como
vitaminas, pigmentos e essências aromáticas das mais variadas estruturas químicas.
A Figura 5 apresenta um esquema do fracionamento de matérias-primas
biológicas para o desenvolvimento de famílias de produtos industriais.
Estima-se que da produção anual de biomassa por biossíntese 75% seja
carboidrato, principalmente na forma de celulose, amido e sacaroses, 20% seja
lignina e somente 5% da composição como outros componentes naturais, tais como
gorduras, proteínas e várias outras substâncias (KAMM e KAMM, 2007). Nesse caso
a atenção deveria ser focada primeiramente no acesso eficiente aos carboidratos e
suas subseqüentes conversões a produtos intermediários e finais.
Figura 5: Esquema do fracionamento de matérias-primas biológicas para o
desenvolvimento de famílias de produtos industriais.
Baseado em: Biorefineries - multi product processes (KAMM e KAMM, 2007).
Glicose, acessível por métodos microbianos ou químicos a partir do amido,
açúcares ou celulose, também é predestinada a uma posição fundamental como
substância química básica por causa da vasta gama de produtos biotecnológicos ou
químicos acessíveis. No caso do amido a vantagem do processo enzimático,
46
comparado com a hidrólise, já tem sido estudada (LINKO e JAVANAINEN, 1996).
Existem muitas opções para a conversão microbiana de substâncias a partir da
glicose, sendo essas reações energeticamente vantajosas.
Já as enzimas utilizadas na hidrólise da celulose somente podem agir
efetivamente após um pré-tratamento para a quebra as ligações de lignina, celulose
e hemicelulose. Esses tratamentos, em geral, são térmicos, termomecânicos ou
termoquímicos, requerendo um acréscimo considerável de energia ao processo.
É necessário combinar os processos de degradação via glicose para
aumentar a quantidade de produtos finais e intermediários produzidos. A Figura 6
apresenta um esquema de possíveis produtos de uma biorrefinaria a partir dos
precursores, com ênfase à linha do carboidrato.
Entre a variedade de possíveis produtos microbianos e químicos acessíveis a
partir da glicose, em particular o ácido láctico, etanol, ácido acético, e ácido
levulínico, diversos intermediários favoráveis para a geração de produtos
industrialmente relevantes podem ser obtidos.
Figura 6: Esquema possível de uma biorrefinaria para biomassa contendo
precursores, com ênfase à linha do carboidrato.
Baseado em: Principles of biorefineries (KAMM e KAMM, 2004).
47
2.2.2. O Papel da Biotecnologia
A aplicação de métodos biotecnológicos é de grande importância para o
desenvolvimento de biorrefinarias na produção de substâncias químicas de base,
intermediárias e polímeros. A integração dos métodos biotecnológicos deve ser
administrada inteligentemente para eficientes conversões físicas e químicas de
biomassa.
A Figura 7 apresenta um exemplo de aplicação de biotecnologias numa
representação simplificada de um regime microbiano de conversão da biomassa.
Atualmente, uma das principais metas de desenvolvimento de biorrefinarias é
a conversão econômica de biomassas que contém lignocelulose e provisão de
glicose no sistema de famílias de produtos. A glicose é uma estrutura química chave
para processos microbiológicos. Uma variedade de famílias de produtos pode ser
obtida a partir de processos microbiológicos e químicos, acessíveis a partir da
glicose, tendo como exemplos de produtos químicos com um carbono (C1) o
metano, o dióxido de carbono e o metanol; dos produtos com dois carbonos na
composição (C2) cita-se o etanol, o ácido acético, o acetaldeído e etileno; com três
carbonos na estrutura (C3) têm-se o ácido lático, propanodiol, propileno, óxido de
propileno, acetona e ácido acrílico; na família com quatro carbonos (C4) têm-se éter
dietil, ácido acético anidro, ácido málico, acetato de vinila, n-butanol, aldeído de
crotanoaldeído, butadieno, além do 2,3-butandiol; com cinco carbonos (C5) têm-se o
ácido itacônico, 2,3-pentanodiano e o etilactato; com seis carbonos (C6) estão ácido
sórbico, ácido parasórbico, ácido cítrico, ácido aconítico, ácido isoascorbínico, ácido
cójico, maltol dilactido e com oito carbonos (C8) têm-se o 2-etil hexanol.
Figura 7: Exemplo de aplicação de biotecnologias em quebra da biomassa.
Baseado em: Principles of biorefineries (KAMM e KAMM, 2004).
A Figura 8 apresenta as famílias de produtos obtidos dos açúcares por
48
processos biotecnológicos.
Figura 8: Famílias de produtos obtidos do açúcar por processos
biotecnológicos
Baseado em: Principles of biorefineries (KAMM e KAMM, 2004).
Atualmente diretrizes são desenvolvidas para a etapa de fermentação em
uma biorrefinaria, buscando a resposta do que representa um arranjo tecnológico
eficiente para a obtenção de produtos químicos.
A escolha dos produtos obtidos biotecnologicamente em biorrefinarias deve
ser feita de forma que esses sejam produzidos a partir de substratos de glicoses ou
pentoses. Além disso, a fermentação dos produtos deve ser extracelular e os
fermentadores devem ter regime de batelada, batelada alimentada, ou contínuos. A
recuperação de produtos preliminares requer etapas de filtração, destilação ou
extração. As etapas envolvidas na recuperação e purificação dos produtos finais
possivelmente são únicas por produto. Além disso, deve ser levada em conta uma
sequência vantajosa das etapas de processamento bioquímico e químico (KAMM e
KAMM, 2007).
Sobre a biotecnologia de fermentação questiona-se se é possível um
processo inteiro de fermentação ser usado quando se alterna de um produto para
outro, se múltiplos produtos poderiam ser processados em paralelo, compartilhando
49
unidades de operação em comum. Busca-se a otimização da programação das
unidades de operações, bem como minimizar as perdas das unidades enquanto são
feitas as mudanças entre diferentes produtos que utilizarão os mesmos conjuntos de
equipamentos (KAMM e KAMM, 2007).
2.3. PRODUTOS
Na primeira metade do século XX a indústria química foi dominada por
matérias-primas oriundas de biomassa, e posteriormente foi substituída por
derivados de petróleo. Tem-se como exemplo desse fato o desenvolvimento e uso
do óleo diesel. A criação do primeiro modelo do motor a diesel que funcionou de
forma eficiente data do dia 10 de agosto de 1893. Foi criado por Rudolf Diesel, em
Augsburg, Alemanha. Alguns anos depois, o motor foi apresentado oficialmente na
Feira Mundial de Paris, França, em 1898. Os primeiros motores tipo diesel eram de
injeção indireta e eram alimentados por petróleo filtrado, óleos vegetais e até mesmo
por óleos de peixe (BIODIESELBR, 2009a).
Entre 1911 e 1912, Rudolf Diesel fez a seguinte afirmação: “O motor a diesel
pode ser alimentado por óleos vegetais, e ajudará no desenvolvimento agrário dos
países que vierem a utilizá-lo. O uso de óleos vegetais como combustível pode
parecer insignificante hoje em dia, mas com o tempo irão se tornar tão importantes
quanto o petróleo e o carvão são atualmente.” (BIODIESELBR, 2009a).
Na década de 70 houve um declínio de interesse pelo uso dos óleos vegetais,
motivado pela abundância e baixos custos dos derivados de petróleo. Nessa mesma
década, devido a dois grandes choques mundiais que elevaram o preço do petróleo,
houve a retomada pelo interesse dos testes com óleos vegetais.
Na década de 80 houve um novo declínio e, posteriormente, uma nova
retomada de interesse pelos óleos vegetais, devido às pressões ambientalistas e à
introdução do conceito de Desenvolvimento Sustentável.
Dentro da proposta de desenvolvimento de biorrefinarias questiona-se se os
produtos obtidos a partir de rotas tradicionais na indústria petroquímica devem ser
parcialmente ou totalmente obtidos a partir da indústria de biomassa.
Os principais grupos de produtos de uma biorrefinaria são: produtos químicos,
biocombustíveis, eletricidade e calor, materiais, amido e madeira, além de alimentos,
minerais, CO
2
, e H
2
O.
50
O primeiro grupo de produtos de interesse, os produtos químicos, possui um
maior valor econômico, quando comparado com a maioria dos outros produtos, além
de sua produção pela rota petroquímica tradicional requerer mais energia do que a
rota biotecnológica.
Nos segundo e terceiro grupos de produtos de interesse a biomassa é
utilizada como uma portadora de energia. Um dos desafios na área é tornar uma
biorrefinaria autosuficiente com relação ao calor e, quando possível, à eletricidade.
O quarto grupo de produtos de interesse já é produzido a partir da biomassa,
tendo como exemplo a indústria papeleira e madeireira. Porém, este grupo também
contém produtos relativamente novos como bioplásticos, que é um mercado em
pleno crescimento.
Nas atuas definições de biorrefinarias os alimentos são geralmente
negligenciados. Porém, essas definições deveriam ser ampliadas, visto que
considerar as interações entre todas as cadeias de valor é muito importante.
Finalmente, o sexto grupo de produtos de interesse, os minerais, não deveria
ser esquecido. O CO
2
e H
2
O produzidos nos processos de um biorrefinaria também
podem ser utilizados no crescimento de biomassa como algas e vegetais, fechando
o ciclo de produção, aproveitando todo o potencial de produção da biorrefinaria.
Uma enorme gama de produtos poderia ser produzida. Decidir quais produtos
realmente devem ser produzidos depende da otimização do processo para torná-lo
competitivo aos produtos já existentes no mercado, os quais já se mostram
economicamente viáveis através da produção pelas rotas tradicionais.
2.3.1. Blocos de Construção: Seleção Química e Potencial
Um grupo de pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL)
e National Renewable Energy Laboratory (NREL) realizou um estudo para identificar
os dez mais vantajosos produtos químicos de alto valor agregado, chamados Blocos
de Construção (do inglês: Building Blocks (BB)), que a partir da biomassa pudessem
técnica e economicamente suportar a produção de combustíveis e energia num
processo integrado de biorrefinaria, identificando os desafios e barreiras associados
às suas tecnologias de produção.
2.3.1.1. Aproximação global
51
A Figura 9 esquematiza as principais etapas de considerações da análise.
Figura 9: Representação visual da estratégia global de seleção.
Baseado em: Top Value Added Chemicals From Biomass (PNNL e NREL,
2004).
Um grupo de mais de trezentos possíveis Blocos de Construção foram
selecionados de relatórios governamentais, industriais e acadêmicos e compilados
em um banco de dados (REE e ANNEVELINK, 2007).
O critério inicial de seleção incluiu o custo de insumos, custo estimado de
processamento, preços e volumes de mercado, além da relevância para operações
atuais ou futuras em biorrefinarias. Este primeiro critério não ofereceu uma
diferenciação suficiente entre os candidatos. Assim, uma aproximação diferente
tornou-se necessária.
2.3.1.2. Seleção inicial para o Top 30
Uma ferramenta mais eficiente de seleção foi encontrada utilizando-se os
conceitos empregados na indústria petroquímica tradicional. Todos os produtos da
52
indústria petroquímica são derivados de uma base de oito a nove produtos químicos,
conforme apresentado na Figura 10.
Para a decisão dos candidatos Top 30 um processo de revisão interativa foi
estabelecido, utilizando dados de produção de produtos químicos e de mercado,
estimativas dos materiais e performances das propriedades dos candidatos
potenciais, além do conhecimento adquirido em experiência de indústria.
A Figura 11 apresenta uma representação gráfica do Top 30 Blocos de
Construção análoga ao fluxograma da indústria petroquímica apresentado na Figura
10.
A lista de mais de trezentos foi reduzida a quase cinqüenta candidatos, e o
critério para essa seleção incluiu os custos estimados de matérias-primas e
processamento, preço estimado de venda, complexibilidade técnica associada à
melhor rota de processamento e potencial de mercado para cada um dos candidatos
a Bloco de Construção.
O passo seguinte foi a organização dos cinqüenta candidatos utilizando uma
classificação por números de carbonos em suas estruturas. Em seguida, revisou-se
o grupo de candidatos por funcionalidade química e uso potencial.
A funcionalidade química pode estar baseada no número de derivados
potenciais que podem ser sintetizados através de processos químicos e biológicos.
Assim, um candidato com apenas um grupo funcional terá um potencial limitado para
derivados, enquanto moléculas de um candidato com múltiplos grupos funcionais
terão um potencial muito maior para derivados e novas famílias de moléculas úteis.
Cada molécula de candidato foi então classificada pela sua utilidade atual para servir
como um simples intermediário em processamentos químicos tradicionais, como
uma molécula reagente por somar funcionalidade a hidrocarbonetos, ou como
subprodutos de sínteses petroquímicas.
53
Figura 10: Fluxograma de exemplos de produtos da Petroquímica.
Fonte: Top Value Added Chemicals From Biomass (PNNL e NREL, 2004).
54
Figura 11: Fluxograma de exemplos de produtos biobaseados.
Fonte: Top Value Added Chemicals From Biomass (PNNL e NREL, 2004).
O grupo foi revisado buscando-se candidatos que poderiam classificar-se
como supercommodity químico, sendo esses derivados de Blocos de Construção ou
subprodutos do refino petroquímico.
Apesar da possibilidade da biomassa servir como fonte desses componentes
ser real, os empecilhos econômicos de um alto investimento e baixos preços para
concorrência no mercado seriam difíceis de serem superados.
A Tabela 13 apresenta os resultados desta primeira seleção, classificada pelo
número de carbonos na estrutura dos produtos. Em Planejamento de Utilização a
classificação BC significa Bloco de Construção.
Tabela 13: Seleção de candidatos classificados por número de carbonos.
N°
Carbonos
Candidato
Planejamento
de Utilização
Selecionado
para Top 30
Motivo
1
Ácido Fórmico Reagente Não
BB muito limitado, usado
geralmente para adição de C1.
1
Metanol BC Limitado Não
Supercommodity a partir do
Gás de Síntese.
1
Monóxido de
Carbono
BC Sim -
1
Dióxido de Carbono
Reagente Não Obstáculos termodinâmicos.
55
N°
Carbonos
Candidato
Planejamento
de Utilização
Selecionado
para Top 30
Motivo
2
Acetaldeído Intermediário Não BB muito limitado.
2
Acido Acético e
Anidrido
Reagentes e
Intermediários
Não
BB limitado, artigo em larga
escala a partir do gás de
síntese. Adição de C2.
2
Etanol Combustível Não
Principal aplicação como
combustível. BB limitado.
Tornar-se-á Supercommodity.
2
Glicina Reagente Não
BB muito limitado. Poucas
utilidades de aplicação.
2
Ácido Oxálico Reagente Não
Aplicado principalmente como
liga e reagente.
2
Etileno glicol BC e Produto Não
Supercommodity
2
Óxido de Etileno BC e Reagente Não
Supercommodity
3
Alanina Intermediário Não
BB muito limitado. Poucas
utilidades de aplicação.
3
Glicerol BC Sim -
3
3-Ácido
Hidroxipropiônico
BC Sim -
3
Ácido Lático BC Sim -
3
Ácido Malônico BC e Reagente Sim -
3
Serina BC Sim -
3
Ácido Propiônico BC e Reagente Sim -
3
Acetona Intermediário Não
Supercommodity. Subproduto
da síntese de fenol.
4
Acetoína BC Sim -
4
Ácido Aspártico BC Sim -
4
Butanol Intermediário Não
Grande commodity químico. A
partir da biomassa não tem
vantagens competitivas.
4
Ácido Fumárico BC Sim -
4
3-
Hidróxibutriolactona
BC Sim -
4
Ácido Málico BC Sim -
4
Ácido Succínico BC Sim -
4
Treonina BC Sim -
5
Arabinitol BC Sim -
5
Furfural BC Sim -
56
N°
Carbonos
Candidato
Planejamento
de Utilização
Selecionado
para Top 30
Motivo
5
Ácido Glutamânico BC Sim -
5
Ácido Glutárico BC Não Mercado muito limitado.
5
Ácido Itacônico BC Sim -
5
Ácido Levulínico BC Sim -
5
Prolina BC Não Mercado limitado.
5
Xilitol BC Sim -
5
Ácido Xilônico BC Sim -
6
Ácido Aconítico BC Sim -
6
Ácido Adípico Intermediário Não
Super Commodity. Examinado
anteriormente sem sucesso.
6
Ácido Ascórbico BC Não Mercado limitado.
6
Ácido Cítrico BC Sim -
6
Fructose BC Não
Outras rotas de obtenção dos
derivados seriam mais fáceis
do que pela frutose.
6
2,5-Ácido
Furandicarboxílico
BC Sim -
6
Ácido Glucárico BC Sim -
6
Ácido Glucônico BC Sim -
6
Ácidos Cojico e
Comérico
BC Não Mercado muito limitado
6
Lisina BC Sim -
6
Sorbitol BC Sim -
Fonte: Top Value Added Chemicals From Biomass (PNNL e NREL, 2004).
Assim, uma lista do Top 30 Blocos de Construção foi alcançada, verificando-
se que os candidatos remanescentes possuem múltiplas funcionalidades
satisfatórias para conversões adicionais a derivados ou famílias moleculares; podem
ser produzidos tanto de lignocelulósicos como de amido; são monômeros de 1 a 6
carbonos; não são aromáticos derivados da lignina e ainda não são supercommodity
químicos (PNNL e NREL, 2004).
A Tabela 14 apresenta a seleção do Top 30, classificados de acordo com o
número de carbonos.
57
Tabela 14: Resultado da seleção Top 30.
N° Carbonos
Candidatos Potenciais
Top
30
1
Monóxido de Carbono e Hidrogênio
2
Nenhum
3
Glicerol, 3-Ácido Hidroxipropiônico, Ácido Lático, Ácido Malônico, Ácido
Propiônico e Serina
4
Acetoína, Ácido Aspártico, Ácido Fumárico, 3-Hidróxibutriolactona, Ácido
Málico, Ácido Succínico e Treonina
5
Arabitol, Furfural, Ácido Glutamânico, Ácido Itacônico, Ácido Levulínico,
Prolina, Xilitol e Ácido Xilônico
6
Ácido Aconítico, Ácido Cítrico, 2,5-Ácido Furandicarboxílico, Ácido Glucárico,
Ácido Glucônico, Lisina e Sorbitol
Fonte: Top Value Added Chemicals From Biomass (PNNL e NREL, 2004).
2.3.1.3. Seleção de Produtos Químicos Derivados do Açúcar
O passo seguinte foi a identificação de doze Blocos de Construção derivados
de açúcares. A Tabela 15 apresenta essa seleção.
Tabela 15: Blocos de Construção derivados de açúcar.
Blocos de Construção
1,4-Diácidos (Succínico, Fumárico e Málico)
2,5-Ácido Furandicarboxílico
3-Ácido Hidroxipropiônico
Ácido Aspártico
Ácido Glucárico
Ácido Glutâmico
Ácido Itacônico
Ácido Levulínico
3-Hidróxibutriolactona
Glicerol
Sorbitol
Xilitol / Arabitol
Fonte: Top Value Added Chemicals From Biomass (PNNL e NREL, 2004).
58
Nessa seleção algumas moléculas foram agrupadas por causa da sinergia
potencial relacionada às suas estruturas. Essas moléculas podem ser isômeras,
fornecer as mesmas moléculas ou produzem essencialmente as mesmas famílias de
produtos.
2.3.1.4. Seleção de Produtos Químicos Derivados do Gás de Síntese
Conforme a finalidade do estudo feito pelos grupos PNNL e NREL, hidrogênio
e metanol cumprem com a maior versatilidade na geração de possíveis produtos por
possibilitar a obtenção de alcoóis simples, aldeídos, alcoóis mistos e líquidos de
Fischer-Tropsch a partir da biomassa, porém esses processos não são
economicamente viáveis e requerem desenvolvimentos adicionais.
Assim, nenhum produto derivado de Gás de Síntese foi selecionado. Essa
decisão foi tomada pelo grupo com base em revisões bibliográficas que identificaram
a limpeza de gás como uma das principais barreiras para a produção econômica de
Gás de Síntese a partir da biomassa.
2.3.1.5. Análise dos Blocos de Construção
A finalidade proposta pelo estudo feito pelos grupos PNNL e NREL seria a de
identificar as dez melhores oportunidades para a obtenção de produtos químicos de
alto valor agregado, chamando-os Blocos de Construção, sendo esses compostos
que possibilitam a obtenção de outros produtos ou novas famílias químicas,
identificando os desafios e barreiras associados às tecnologias de produção.
Porém, esses critérios de seleção para a redução do leque de possibilidades,
excluíram alguns produtos que podem técnica e economicamente contribuir com a
produção de combustíveis e energia num processo integrado de biorrefinaria.
Um dos compostos eliminados da seleção é o etanol, sendo excluído por ter
sua principal aplicação como combustível e assim seria um Bloco de Construção
limitado, além de esperar-se que se torne um supercommodity químico.
Entretanto o etanol tem recebido especial atenção no mercado energético
global como biocombustível, além de abrir a gama de produtos da indústria
alcoolquímica. Assim, acredita-se que seja importante acrescentar o etanol à lista
dos Blocos de Construção como um dos produtos de interesse para obtenção a
59
partir da biomassa, para analisar a viabilidade de produção em processos integrados
de biorrefinarias.
Outro produto que não foi considerado é o biodiesel, o qual pode ser
produzido a partir de qualquer fonte de ácidos graxos, sendo necessário, porém,
avaliar se a fonte de ácidos graxos viabiliza o processo para uma determinada
escala. A importância estratégica na produção do biodiesel está na possibilidade de
cooperar com o desenvolviento econômico de diversas regiões do Brasil, uma vez
que é possível explorar a melhor alternativa de matéria-prima para cada região.
Assim como o etanol, é importante considerar o biodiesel como produtos de
interesse a serem produzidos a partir da biomassa. Sendo assim, esses produtos
serão incluídos na seleção final de Blocos de Construção para terem sua viabilidade
analisada no estudo de biorrefinarias em desenvolvimento.
A Tabela 16 apresenta a seleção final dos Blocos de Construção a serem
considerados nesse estudo.
Tabela 16: Seleção final dos Blocos de Construção.
Blocos de Construção
1,4
-
Diácidos (Succínico, Fumárico e Málico)
2,5
-
Ácido Furandicarboxílico
3
-
Ácido Hidroxipropiônico
3
-
Hidróxibutriolactona
Ácido Aspártico
Ácido Glucárico
Ácido Glutâmico
Ácido Itacônico
Ácido
Levulínico
Biodiesel
Etanol
Glicerol
Sorbitol
Xilitol / Arabitol
60
2.4. ROTAS E DESAFIOS
Os grupos PNNL e NREL identificaram as rotas de transformações químicas e
biológicas mais viáveis para os Blocos de Construção (PNNL e NREL, 2004).
Um grande número de transformações de açúcar a Blocos de Construção
pode ser obtido através de fermentação aeróbica, empregando fungos, leveduras ou
bactérias. Transformações químicas e enzimáticas também são importantes opções
de processos. A Tabela 17 apresenta as rotas comercialmente viáveis atualmente.
Tabela 17: Identificação das atuais rotas potenciais para obtenção dos Blocos
de Construção.
Blocos de Construção
Levedura
ou Fungo
Bactéria
Levedura
ou Fungo
Bactéria
Processos
Químicos e
Catalíticos
Biotrans
formação
Fermentação Aeróbica Fermentação Anaeróbica
Transformações Químicas e
Enzimáticas
2,5
-
Ácido
Furandicarboxílico
X
3
-
Ácido
Hidroxipropiônico
X X
3
-Hidróxibutriolactona
X
Ácido Aspártico
X X X
Ácido Fumárico
X X X
Ácido Glucárico
X X X
Ácido Glutâmico
X X
Ácido Itacônico
X
Ácido Levulínico
X
Ácido Málico
X X
Ácido Succínico
X X X X
Arabitol
X X X X
Biodiesel
X
Etanol
X X X X X
Glicerol
X X X X X
Sorbitol
X X X X
Xilitol
X X X
Baseado em: Top Value Added Chemicals From Biomass (PNNL e NREL,
2004).
61
O grupo também examinou as transformações mais comuns envolvidas nas
conversões dos Blocos de Construção aos seus derivados, com predomínio de
redução química, oxidação, desidratação, quebra de ligações e polimerização direta.
Biotransformações enzimáticas compreendem um grande grupo de conversões
biológicas. Adicionalmente algumas conversões biológicas podem ser realizadas
sem a necessidade de um Bloco de Construção intermediário.
Cada rota tem suas vantagens e desvantagens. As conversões biológicas
podem ser manipuladas de forma a obter-se uma estrutura molecular específica,
mas as condições operacionais devem ser relativamente moderadas para não inibir
a ação dos micro-organismos nas reações e garantir uma elevada conversão do
produto desejado. Transformações químicas podem operar em condições mais
extremas, mas conversões menores são alcançadas.
2.5. CONCEITOS DE BIORREFINARIA
Atualmente se distinguem sete diferentes conceitos de biorrefinarias:
Biorrefinarias Convencionais (em inglês: Conventional Biorefinaries (CBR));
Biorrefinarias Verdes (em inglês: Green Biorefinaries (GBR)); Biorrefinarias de
Cereais (em inglês: Whole Crop Biorefinaries (WCBR)); Biorrefinaria de
Lignocelulose (em inglês: Ligno Cellulosic Feedstock Biorefinaries (LCFBR));
Biorrefinarias de Duas Plataformas (em inglês: Two Platform Concept Biorefinaries
(TPCBR)); Biorrefinarias Termo-Químicas (em inglês: Thermo Chemical Biorefinaries
(TCBR)) e Biorrefinarias Aquáticas (adaptada do inglês: Marine Biorefinaries (MBR))
(REE e ANNEVELINK, 2007).
Por enquanto, não existe um sistema claro para classificar os diferentes
conceitos de biorrefinaria, assim, os conceitos têm sido classificados baseados nos
seguintes critérios (REE e ANNEVELINK, 2007):
a) tipos de matérias-primas empregados: inclui os conceitos de
Biorrefinarias Verdes, de Cereais, de Lignocelulose e Marinhas;
b) tipos de tecnologia empregados: inclui os conceitos de Biorrefinarias de
Duas Plataformas e Termoquímicas;
62
c) status da tecnologia: inclui os conceitos de Biorrefinarias
Convencionais e Avançadas, bem como a 1ª e 2ª Geração de Biorrefinarias;
d) principais produtos intermediários produzidos: inclui as Plataformas de
Gás de Síntese, Plataformas de Açúcar e Plataformas de Lignina.
O desenvolvimento de um sistema de classificação claro é uma necessidade
para fazer com as diferentes propostas possam ser comparadas mais facilmente. A
Figura 12 apresenta um esquema geral de obtenção de materiais, combustíveis e
energia e produtos, após processamento nas plataformas.
Figura 12: Esquema geral de obtenção de produtos em biorrefinarias.
2.5.1. Biorrefinarias Convencionais
As Biorrefinarias Convencionais utilizam conversões e tecnologias tradicionais
para processar a biomassa obtendo os produtos principais e subprodutos.
Muitas indústrias existentes já são na realidade um tipo de CBR como, por
exemplo, as indústrias açucareiras, de amido, de óleos vegetais, alimentícias,
papeleiras, químicas e de biocombustíveis.
63
Estas indústrias procuram agregar valor provendo seus subprodutos a outros
setores. No entanto, a ênfase é dada aos produtos principais e nenhum grande
esforço ainda é feito para produzir um amplo espectro de outros produtos de valor
agregado. Esta estratégia está mudando rapidamente, e isto provavelmente
conduzirá a uma melhora econômica e ecológica das Biorrefinarias Convencionais
existentes. Em muitos casos uma extensão de uma Biorrefinaria Convencional
formará a base para o desenvolvimento de um dos tipos mais novos de
biorrefinarias.
2.5.2. Biorrefinarias Verdes
O princípio da Biorrefinaria Verde está baseado na pressurização de
biomassa úmida, resultando em uma torta prensada rica em fibras, enquanto o caldo
extraído é rico em nutrientes como proteínas, aminoácidos e minerais, dentre outros
componentes.
Este conceito de biorrefinaria difere dos demais por utilizar biomassa fresca,
devendo ser considerada a necessidades de um rápido processamento primário ou
uso de um método de preservação, como secagem e armazenagem, para prevenir a
degradação dos materiais colhidos e dos produtos primários.
Os preços dos produtos, tratando-se de bioprocessos, são altamente afetados
através de custos de matéria-prima. As vantagens do Biorrefinaria Verde são um alto
ganho de biomassa por hectare e uma boa interação com a produção agrícola, além
dos preços das matérias-primas manterem-se baixos. Além disso, tecnologias
simples podem ser usadas.
A Figura 13 apresenta um esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria
Verde, enquanto a Figura 14 mostra um esquema de obtenção de produtos
potenciais a partir das frações da torta de fibras prensada e do caldo extraído.
64
Figura 13: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria Verde.
Baseado em: Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo
and Future Directions (KAMM, GRUBER et al., 2006a).
Figura 14: Esquema de obtenção de produtos potenciais a partir de
Biorrefinarias Verdes.
Baseado em: Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo
and Future Directions (KAMM, GRUBER et al., 2006a).
65
A biomassa verde é representada predominantemente por colheitas verdes,
tendo como exemplo as gramas cultivadas em terras de plantio permanente, campos
fechados ou pastagens.
As colheitas verdes são usadas hoje principalmente como forragem e uma
fonte de legumes. Um processo de fracionamento úmido de biomassa verde pode
ser usado para fabricar simultaneamente alimentos e outros produtos não-
alimentícios (KAMM e KAMM, 2007).
Através de fracionamento, as Biorrefinarias Verdes podem processar a
biomassa desde algumas toneladas de colheitas verdes por hora, em processos de
micro escala, até mais de 100 toneladas por hora, em processos industriais (KAMM
e KAMM, 2007).
A tecnologia de fracionamento úmido é usada na Biorrefinaria Primária como
primeiro passo para isolar as substâncias em suas formas naturais. Assim, as
propriedades das colheitas verdes são separadas em uma torta rica em fibras e um
caldo rico em nutrientes. A partir do caldo o foco principal é dirigido a produtos como
o ácido lático e derivados correspondentes, aminoácidos, etanol e proteínas. A torta
prensada pode ser usada para produção de alimentos verdes, como matéria-prima
para produção de substâncias químicas, como ácido de levulínico, como também
para conversão de gás de síntese e hidrocarbonetos. Os resíduos dessas
conversões são úteis para a produção de biogás combinada com a geração de calor
e eletricidade (KAMM e KAMM, 2007).
2.5.3. Biorrefinarias de Cereais
As Biorrefinarias de Cereais utilizam a biomassa úmida ou seca para a
moenda. As matérias-primas utilizadas são cereais como centeio, trigo e milho.
Primeiramente é feita uma separação mecânica do grão, que geralmente
abrange cerca de 20% em peso da biomassa, e da fração de palha, que abrange
cerca de 80% em peso da matéria-prima alimentada (REE e ANNEVELINK, 2007).
Posteriormente ambas as frações passam separadamente por processamentos para
obtenção de um portfólio de produtos. Do grão será originado o amido e a palha
pode ser utilizada como fonte de alimentação lignocelulósica, tendo inclusive a
possibilidade de ser processada em uma Biorrefinaria de Lignocelulose.
No caso da moenda úmida, o grão é inchado e posteriormente é prensado,
66
liberando produtos com alto valor-agregado. As vantagens de utilizar sistemas de
moendas úmidas é que os elementos das estruturas naturais como amido, celulose,
óleos e proteínas são preservados. Além disso, as tecnologias básicas conhecidas
também podem ser aplicadas. As desvantagens são o alto custo da matéria-prima e
dos tipos de tecnologias necessárias.
Nesse conceito de biorrefinaria existe a possibilidade de separação de
celulose, hemicelulose, lignina, e de conversões adicionais dentro de linhas de
produto separadas, mostradas em biorrefinarias LCF. Além disso, a palha é um
material que pode ser usado para a produção de gás de síntese por tecnologias de
pirólise, sendo esse a matéria-prima para a síntese de combustíveis e metanol.
As Figuras 15 e 16 apresentam um esquema geral do conceito de
Biorrefinarias de Cereais utilizando moenda seca e úmida, respectivamente,
enquanto a Figura 17 apresenta um esquema de obtenção de produtos potenciais a
partir desse conceito de biorrefinaria.
Figura 15: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria de Cereais com
moenda seca.
Baseado em: Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo
and Future Directions (KAMM, GRUBER et al., 2006a).
67
Figura 16: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria de Cereais com
moenda úmida.
Baseado em: Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo
and Future Directions (KAMM, GRUBER et al., 2006a).
Figura 17: Esquema de obtenção de produtos potenciais a partir de
Biorrefinaria de Cereais.
Baseado em: Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo
and Future Directions (KAMM, GRUBER et al., 2006a).
68
2.5.4. Biorrefinarias de Lignocelulose
As Biorrefinarias de Lignocelulose se baseiam no fracionamento de biomassa
rica em lignocelulósicos para a produção de correntes intermediárias de celulose,
hemicelulose e lignina, que podem ser posteriormente processadas para obtenção
de um portfólio de produtos finais que têm uma boa aceitação na indústria
petroquímica tradicional e nos esperados mercados biobaseados.
Os materiais lignocelulósicos consistem em três frações de substância
química primárias ou precursores: hemicelulose/polioses, açúcares com predomínio
de pentoses e lignina, um polímero de fenóis, conforme é apresentado nas
equações de (1) a (4).
ܮ݅݃݊݋݈ܿ݁ݑ݈݋ݏ݁ ൅ ܪ_2 ܱ ՜ ܮ݅݃݊݅݊ܽ ൅ ܥ݈݁ݑ݈݋ݏ݁ ൅ ܪ݈݁݉݅ܿ݁ݑ݈݋ݏ݁ (1)
ܪ݈݁݉݅ܿ݁ݑ݈݋ݏ݁ ൅ ܪ
ଶ
ܱ ՜ ݈ܺ݅݋ݏ݁ (2)
݈ܺ݅݋ݏ݁
ሺ
ܥ
ହ
ܪ
ଵ଴
ܱ
ହ
ሻ
൅ Áܿ݅݀݋ ܥܽݐ݈ܽ݅ݏܽ݀݋ݎ ՜ ܨݑݎ݂ݑݎ݈ܽ
ሺ
ܥ
ହ
ܪ
ସ
ܱ
ଶ
ሻ
൅ 3ܪ
ଶ
ܱ (3)
ܥ݈݁ݑ݈݋ݏ݁
ሺ
ܥ
଺
ܪ
ଵ଴
ܱ
ହ
ሻ
൅ ܪ
ଶ
ܱ ՜ ܩ݈݅ܿ݋ݏ݁
ሺ
ܥ
଺
ܪ
ଵଶ
ܱ
଺
ሻ
(4)
A Figura 18 apresenta um esquema geral do conceito de Biorrefinarias de
Alimentação Lignocelulósica.
Figura 18: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria de Lignocelulose.
Baseado em: Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo
and Future Directions (KAMM, GRUBER et al., 2006a).
69
A Figura 19 apresenta um esquema de obtenção de produtos potenciais a
partir desse conceito de biorrefinaria.
Figura 19: Esquema de obtenção de produtos potenciais a partir de
Biorrefinaria de Lignocelulose.
Baseado em: Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo
and Future Directions (KAMM, GRUBER et al., 2006a).
Espera-se que biomassa rica em lignocelulose venha a tornar-se um dos
principais tipos de matéria-prima no futuro porque, além de ser extensamente
disponível a custos moderados, seu cultivo e uso competem menos com os
alimentos. Porém, quando biomassa lignocelulósica for processada para produção
de etanol, também poderá ser usada como alimento. Assim, as diferentes cadeias
da biomassa, como alimentos, combustíveis e produtos químicos, devem ser
amplamente integradas em seus processamentos.
Ainda são necessários desenvolvimentos e otimizações para as tecnologias
empregadas nesse conceito de biorrefinarias, por exemplo, no campo da separação
da celulose, hemicelulose e lignina, como também na utilização da lignina na
indústria química. Outros itens insatisfatórios nesse conceito de biorrefinarias é a
utilização de lignina como combustível, adesivos ou binder, em função da existência
70
de quantias consideráveis de hidrocarbonetos monoaromáticos, os quais mesmo se
isolados de um modo economicamente eficiente, poderiam somar um aumento
significativo nos valores dos processos primários.
2.5.5. Biorrefinarias de Plataforma Dual
As Biorrefinarias de Plataforma Dual se baseiam no fracionamento da
biomassa em frações de açúcares (celulose e hemicelulose) e lignina.
A fração de carboidratos é bioquimicamente convertida através da chamada
“Plataforma de Açúcar”, produzindo um portfólio de potenciais bioprodutos, enquanto
a fração de lignina e os resíduos do processo bioquímico serão termoquimicamente
convertidos a Gás de Síntese através da chamada “Plataforma de Gás de Síntese”,
produzindo uma gama de produtos biobaseados, incluindo calor e energia para
satisfazer as demandas internas do processo.
A Figura 20 apresenta um esquema geral do conceito de Biorrefinarias de
Plataforma Dual.
Figura 20: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria de Plataforma
Dual.
Baseado em: Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo
and Future Directions (KAMM, GRUBER et al., 2006a).
71
O princípio da Plataforma de Açúcares está baseado em processos de
conversões bioquímicos e o foco é dado à fermentação de açúcares da alimentação
de biomassa.
A Plataforma de Gás de Síntese se baseia em processos de conversões
termoquímicas e o foco é dado à gaseificação da biomassa alimentada e dos
subprodutos dos processos de conversões. Além da gaseificação outros métodos
térmicos e termoquímicos de conversão de biomassa têm sido descritos, tais como
hidrotermólise, pirólise, termólise, e queima. A aplicação é de acordo com a
quantidade de umidade contida na biomassa (KAMM e KAMM, 2007).
A gaseificação e todos os conceitos termoquímicos de conversão
concentram-se na utilização dos precursores carboidratos, assim como em seus
carbonos e hidrogênios. As proteínas, lignina, óleos e lipídios, aminoácidos e outros
ingredientes, de acordo com a biomassa, não são levados em conta nesse caso.
2.5.6. Biorrefinarias Termoquímicas
Em uma Biorrefinaria Termoquímica várias tecnologias podem ser aplicadas,
tais como torrefação, pirólise, gaseificação e hidrotermólise. Nesse conceito de
biorrefinaria a biomassa é termoquimicamente refinada produzindo um portfólio de
produtos de alto valor-agregado, assim o ciclo termoquímico pode ser usado para
produzir o espectro de produtos desejados.
A Figura 21 apresenta um esquema geral do conceito de Biorrefinarias
Termoquímica.
Uma opção promissora dentro desse conceito é a coprodução de substâncias
químicas de alto valor-agregado, tais como misturas de alcoóis e Gás Natural
Sintético a partir de biomassa. Essa opção se baseia em gaseificação a baixas
temperaturas, limpeza avançada de gases, separação e melhoramento do produto
intermediário (REE e ANNEVELINK, 2007).
Um tipo específico de Biorrefinaria Termoquímica utiliza as infraestruturas já
existentes de processamento de petróleo da indústria petroquímica. Biomassa ou
seus derivados intermediários podem ser condicionados e posteriormente
introduzidos nessas infraestruturas, substituindo os combustíveis fósseis e matérias-
primas para a produção sustentável de um portfólio de produtos petroquímicos
convencionais. Este tipo de melhoramento das infraestruturas tradicionais existentes
72
potencialmente resultará na realização das primeiras reais Biorrefinarias
Termoquímicas no mercado (REE e ANNEVELINK, 2007).
Figura 21: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria Termoquímica.
Baseado em: Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo
and Future Directions (KAMM, GRUBER et al., 2006a).
Outro conceito que também tem sido desenvolvido é a Biorrefinaria com
Catálise em Etapas. A idéia é processar biomassa utilizando um número de
diferentes tecnologias em etapas sequenciais. A diferença são as faixas de
temperaturas utilizadas para cada uma das tecnologias, e embora a distinção entre
elas não seja tão rigorosa, uma aproximação por etapas oferece a possibilidade de
separar diferentes produtos e substancias químicas em cada uma das fases, sendo
essa uma vantagem quando se compara com a produção de gás de síntese
diretamente a partir de gaseificação (REE e ANNEVELINK, 2007).
A Figura 22 apresenta um esquema da desgaseificação de biomassa com
catálise em etapas.
O detalhamento dessas etapas tem recebido especial atenção em pesquisas
na área, sendo um dos desafios o desenvolvimento de um catalisador com
desempenho satisfatório para os diferentes processamentos e tecnologias.
73
Figura 22: Esquema da degaseificação de biomassa com catálise em etapas.
Baseado em: Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo
and Future Directions (KAMM, GRUBER et al., 2006a).
2.5.7. Biorrefinarias Aquáticas
A idéia geral do conceito de Biorrefinaria Aquática é o processamento de
biomassa aquática para obtenção de produtos e subprodutos de valor agregado,
calor e energia.
O esquema do processamento em uma Biorrefinaria aquática é representado
na Figura 23.
Figura 23: Esquema geral do conceito de uma Biorrefinaria Aquática.
Baseado em: Status Report Biorefinery 2007 (REE e ANNEVELINK, 2007).
74
De cada uma das frações da biomassa aquática pode ser obtida uma gama
de produtos. Dentro das possibilidades que viabilizam o processo, todos os resíduos
do processo podem ser transformados em produtos de alto valor agregado; somente
os resíduos que não puderem ser usados para esse propósito serão usados na
cogeração de calor e potência (do inglês: co-generation of heat and power (CHP)).
A utilização de biomassa aquática (micro e macroalgas) oferece a
possibilidade de um significativo aumento na disponibilidade de biomassa doméstica
para processamento em biorrefinarias, devendo ser considerada especialmente por
regiões com oferta limitada de biomassa disponível.
2.5.8. Resumo dos Diferentes Conceitos de Biorrefinarias
Os principais aspectos dos conceitos de biorrefinarias descritos anteriormente
são brevemente caracterizados na Tabela 18.
Tabela 18: Resumo das principais características dos conceitos de
biorrefinarias.
Conceito Tipo de alimentação Tecnologia predominante
Biorrefinarias Verdes (GBR)
Biomassa úmida: como grama e
pastagens verdes azevém e
trevo.
Pré-tratamento, pressurização,
fracionamento, separação e
digestão.
Biorrefinarias de Cereais
(WCBR)
Colheita integral (inclusive o
bagaço): cereais como centeio,
trigo e milho.
Moenda seca ou úmida e
conversão bioquímica.
Biorrefinarias de
Lignocelulose (LCFBR)
Biomassa rica em
lignocelulósicos: como bagaço,
nós, cana e madeira.
Pré-tratamento, hidrólise
química e enzimática,
fermentação e separação.
Biorrefinarias de Plataforma
Dual (TPCBR)
Todos os tipos de biomassas.
Combinação de plataforma de
açúcar (conversão bioquímica)
e plataforma de gás de síntese
(conversão termoquímica).
Biorrefinarias Termoquímicas
(TCBR)
Todos os tipos de biomassas.
Conversões termoquímicas:
torrefação, pirólise,
gaseificação, HTU, separação
de produtos, síntese catalítica.
Biorrefinarias Aquáticas
(MBR)
Biomassa aquática: Micro e
macroalgas
Ruptura celular, extração e
separação de produtos.
75
3. METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE VIABILIDADE DE UMA BIORREFINARIA
Segundo Douglas (1988), o propósito da Engenharia dentro dos aspectos
criativos na concepção de um processo é tentar gerar novas idéias que possibilitem:
a) viabilizar a produção de matéria-prima;
b) converter resíduos ou subprodutos em um produto de valor;
c) criar um material totalmente novo no mercado;
d) encontrar uma nova forma de produzir um produto que já exista no
mercado;
e) explorar uma nova tecnologia;
f) explorar novos materiais de construção.
O que se verifica atualmente, no que diz respeito às biorrefinarias, é uma
vasta gama de estudos e sugestões para cada uma dessas idéias, na tentativa de
aproveitar um dos maiores potenciais de matérias-primas do planeta: a biomassa.
Entretanto, com tantas alternativas de biomassas disponíveis, de tecnologias em
bioprocessos e produtos viáveis, tornam-se difíceis as tomadas de decisões dentro
das variáveis de projeto, além de não ser delineada uma diretriz às pesquisas e
desenvolvimentos na área.
Com o intuito de nortear o desenvolvimento deste trabalho, o presente
capítulo apresenta uma metodologia para a tomada de decisões no projeto e para
análise de viabilidade de um projeto conceitual de uma biorrefinaria genérica, tendo
como foco a proposta de uma estrutura descentralizada, que utilize de forma
otimizada à biomassa disponível de forma geograficamente dispersada,
considerando-se também as restrições de ordem ecológica, econômica e
tecnológica. Também é introduzida a metodologia de Douglas (1988) para avaliar o
potencial econômico das diferentes rotas do processo e montagem de um problema
de otimização para a proposta apresentada.
76
3.1. MATÉRIA-PRIMA
A escolha da matéria-prima a ser utilizada em um processo é de suma
importância e, como seu custo normalmente incide numa faixa de 33 a 85% do total
dos custos do processo (DOUGLAS, 1988), deve-se primeiramente analisar estes
custos antes de focar-se em qualquer outro detalhe do design.
No caso das biorrefinarias, qualquer biomassa pode inicialmente ser
considerada para o emprego no processo. Todavia, quando se busca determinada
disponibilidade de biomassa é importante ponderar as restrições de ordem
ecológica, econômica e tecnológica. As restrições ecológicas estão associadas à
preservação do meio ambiente e à qualidade de vida. Para a análise das restrições
econômicas deve-se verificar se a biomassa a ser explorada não tem outros usos
mais econômicos, se todos os seus custos são competitivos e compatíveis com as
vantagens energéticas. As restrições tecnológicas se devem à existência ou não de
processos confiáveis e operações para conversão da biomassa em produtos e
combustíveis de uso mais geral.
As principais fontes de biomassas competitivas no Brasil são os resíduos
vegetais, sólidos urbanos, industriais, animais, florestais, e as microalgas. Conforme
já considerado no Capítulo 2, item 2.1.2, todas essas fontes tem um grande
potencial de aproveitamento, visto que os resíduos estão disponíveis em abundância
e a baixos custos, sem uma perspectiva de usos mais atrativos, enquanto as
microalgas têm se apresentado como vantajosa alternativa de obtenção de
biomassa.
3.1.1. Cenários de Produção
Não existe somente uma única resposta ao problema de otimização em
biorrefinarias, e sim inúmeras, visto que inúmeros são os cenários de produção e
tipos de biomassa disponíveis. Em cada cenário com potencial de produção há
possibilidade de implantação de uma unidade de biorrefinaria. Assim, um estudo de
caso deve ser feito para cada cenário apresentado, comparando-se as viabilidades
técnicas, econômicas e ambientais do aproveitamento dos recursos.
A conveniência de uma biorrefinaria com estrutura descentralizada, é que o
potencial de biomassa poderá ser integralmente aproveitado, desde que seja
77
alcançada a viabilidade do processamento para obtenção de produtos desejáveis e
que sejam competitivos com os que atualmente já estão no mercado. Aonde houver
resíduos disponíveis, ou existir potencial de implementação de sistemas de cultivo
de microalgas, sem que seja prejudicada a produção de alimentos, poderá ser
instalada uma unidade descentralizada de biorrefinaria para o aproveitamento desse
cenário.
Para uma análise preliminar da viabilidade de implantação de uma
biorrefinaria em um dado cenário, são necessários os dados de total de biomassa
disponível anualmente e os seus custos de obtenção.
3.1.1.1. Produção Anual
É necessário conhecer-se os dados referentes ao potencial de produção
anual e se essa produção está disponível de forma sazonal ou contínua ao longo
desse período. Esses dados permitem conhecer as taxas de alimentação e
produção, de acordo com a produtividade de uma determinada rota, para a tomada
de decisão do nível 1 de decisões segundo Douglas (1988), ou seja, decidir entre
processo batelada versus contínuo, o dimensionamento dos equipamentos, a
aproximação dos custos com separação, logística, pré-tratamento, reagentes e do
potencial econômico do processo.
Por exemplo, se forem utilizados os resíduos vegetais de um dado cenário,
faz-se necessário conhecer quais espécies são cultivadas, seus períodos de safra e,
da produção total, qual a quantidade de resíduo é efetivamente disponível. Já os
resíduos sólidos urbanos têm disponibilidade ao longo de todo ano, e sua
composição varia ligeiramente conforme a região e quantidade de habitantes da
cidade. Os resíduos industriais podem ser sazonais ou não e sua composição varia
conforme o tipo de beneficiamento da indústria e tratamento que seus resíduos
recebem. Os resíduos animais têm disponibilidade contínua e variam conforme o
tipo de criação, o número de animais e as práticas culturais, pois, no caso de
criações em confinamento, o custo e a viabilidade da coleta são grandemente
melhorados. A disponibilidade de resíduos florestais também pode ser sazonal,
porém intercalada com a exploração de diferentes espécies ou tempos de
maturação de plantas mesma espécie. A produtividade de microalgas é contínua ao
longo do ano e depende do sistema de cultivo empregado, da eficiência de absorção
78
de CO
2
, da disponibilidade de luz e nutrientes, dentre outros aspectos do cultivo.
3.1.1.2. Custo de Recuperação
Dentro dos custos de obtenção da matéria-prima são considerados os custos
totais das etapas de produção, coleta, separação e transporte de uma dada
biomassa, delas dependendo a qualidade das matérias-primas entregues para o
processamento nas biorrefinarias.
O custo final da biomassa recuperada é determinado predominantemente por
quatro parâmetros, associados aos processos envolvidos: o nível de investimento, o
rendimento operacional, a demanda de energia e a densidade final do material.
Sistemas mais simples, com menor número de equipamentos, menor consumo de
combustível e elevado rendimento diário, resultam normalmente em custos menores.
O fator de densidade torna-se importante à medida que aumentam as distâncias
compreendidas entre as áreas de produção e a planta industrial de destino.
Geralmente o custo de recuperação é expresso em termos de custo por
quilograma, ou tonelada, de biomassa disponibilizada, e esse custo por quantidade
de biomassa pode ser sensivelmente reduzido com o aumento da quantidade de
biomassa.
Uma aproximação teórica compatível com a realidade dos custos de obtenção
é fundamental para que uma adequada análise do potencial econômico seja feita e
indique de forma confiável qual cenário é viável para os propósitos de
aproveitamento da biomassa.
3.1.2. Síntese e Caracterização
Por ser sintetizada na natureza a biomassa apresenta uma estrutura
complexa, sendo importante obter informações referentes às condições e reações
de síntese, bem como sua caracterização.
Devem ser analisadas as propriedades geométricas, físico-químicas e
térmicas que caracterizam as partículas de biomassa do ponto de vista de seu
comportamento durante a conversão física e energética. Algumas dessas
propriedades são fator de forma de esfericidade, distribuição de tamanhos e
dimensão característica do conglomerado de partículas, composição química
79
elementar imediata, poder calorífico, características de fusão de cinzas, etc.
A caracterização da biomassa é uma forma de conhecer seu potencial de
digestão e obtenção de determinados produtos, visando obter um aproveitamento
mais eficiente em suas mais diversas aplicações. Assim, é necessário primeiramente
realizar a seleção prévia das frações mais apropriadas de acordo com cada
aplicação em particular. A partir dessa seleção específica é que é possível estudar
as principais características físico-geométricas, químicas, térmicas e aerodinâmicas
das partículas de sua composição. A separação primária dos principais grupos de
substâncias que compõem a biomassa, os chamados precursores, pode ser feita,
classificando-os de forma geral como carboidratos, lignina, proteínas e lipídios, além
de vários outros componentes menores com as mais variadas estruturas químicas,
sendo essas proporções fortemente dependentes da espécie.
O teor de cada um dos precursores e de umidade presente na composição da
biomassa, além do seu poder calorífico, pode indicar uma rota de processamento
que otimize seu aproveitamento, de forma a maximizar a produtividade de um
produto de interesse.
Assim, a composição desejável para obtenção dos produtos de interesse,
juntamente com a viabilidade dos custos de cultivo e sensibilidade da espécie às
características do meio de cultura, entre outros fatores, determinará qual espécie
deve ser usada para determinada finalidade.
3.2. PROCESSAMENTO
Tendo a definição da biomassa a ser utilizada, conhecendo seu potencial de
produção anual e custos de recuperação, síntese e caracterização, deve-se partir
para o estudo do seu processamento.
Com base na literatura e estudos em andamento, é possível conhecer todas
as possíveis rotas de processamento e suas restrições, bem como seus principais
produtos e subprodutos obteníveis.
Nessa etapa, já podem ser descartadas as rotas que fujam ao foco da
proposta: a utilização otimizada da biomassa e as considerações ecológicas,
econômicas e tecnológicas.
80
3.2.1. Rotas e Produtos
Atualmente, existem inúmeras rotas químicas, bioquímicas e termoquímicas
para o processamento de biomassa. Com uma rápida revisão na literatura disponível
pode-se chegar a um leque de possibilidades. No capítulo 2 foram apresentadas
algumas que hoje têm viabilidade comercial e alguns dos produtos de interesse que
podem ser obtidos a partir dessas rotas.
Algumas informações de entrada não necessárias para a análise preliminar
de viabilidade de cada uma das rotas. A Tabela 19 apresenta essas informações.
Tabela 19: Informações de entrada do processo.
Informações de Entrada
1
Reações e condições das reações
2
Taxa desejada de produção
3
Pureza desejada de produto ou alguma informação de preço versus pureza
4
Matéria-prima e/ou alguma informação de preço versus pureza
5
Informações sobre a taxa de reação e taxa de desativação catalítica
6
Qualquer restrição do processo
7
Outros dados da planta e local
8
Propriedades físicas de todos os componentes
9
Informações sobre segurança, toxidade e impacto ambiental dos materiais envolvidos no
processo
10
Dados de custos para subprodutos, equipamentos e utilidades
Fonte: Conceptual Design of Chemical Processes (DOUGLAS, 1988).
As principais informações da reação são listadas na Tabela 20.
Frequentemente também é possível extrair da literatura muitas outras informações
necessárias, em particular as reações primárias e secundárias, as faixas de
temperatura e pressão da reação, catalisadores e rendimento máximo também estão
disponíveis. Todos os subprodutos devem ser conhecidos para dimensionar o
sistema de separação. Informações sobre como a distribuição do produto muda com
a conversão e/ou temperatura do reator, taxa molar de reação, etc., são
frequentemente difíceis de obter, mas é importante encontrar as condições de
reação que maximizam o rendimento da reação, porém deve ser levado em
consideração que nem sempre o máximo rendimento corresponde ao ótimo
81
econômico de conversão, devendo ser considerada também a seletividade da
reação para a escolha da faixa ótima de operação. A taxa de produção é uma
informação essencial para o design dos equipamentos do processo, visto que o
tamanho máximo da planta é normalmente fixado pelo tamanho máximo de um ou
mais equipamentos. A pureza dos produtos também é normalmente fixada pelas
considerações de mercado.
Tabela 20: Informações de reação.
Informações de Reação
1
Estequiometria de todas as reações envolvidas
2
Faixas de temperatura e pressão para as reações
3
As fases do sistema de reações
4 Algumas informações sobre a distribuição do produto versus a conversão
5 Algumas informações sobre a conversão versus velocidade espacial ou tempo de residência
6
Se catálise for usada, informações sobre o catalisador e catálise
Fonte: Conceptual Design of Chemical Processes (DOUGLAS, 1988).
De posse das informações de entrada, para direcionar a escolha à rota com
maior eficiência no processamento e que seja economicamente mais atrativa, pode-
se utilizar a metodologia clássica apresentada por Douglas (DOUGLAS, 1988), que
tem por base a chamada hierarquia de decisões para o desenvolvimento do design
conceitual de um projeto.
3.2.1.1. Hierarquia de Decisões
O chamado Método de Engenharia é uma aproximação hierárquica para o
desenvolvimento de um projeto conceitual que indica que se deve primeiramente
resolver os problemas de design com soluções mais simples, e depois devem ser
adicionadas camadas sucessivas de detalhes.
Segundo Douglas (1988), a hierarquia de decisões pode ser estruturada em
cinco níveis, os quais estão apresentados na Tabela 21.
82
Tabela 21: Hierarquia de decisões.
Níveis Hierarquia de Decisões
1
Batelada versus Contínuo
2
Fluxograma da estrutura de entrada e saída
3
Fluxograma da estrutura de reciclo
4
Estrutura geral do sistema de separação
- Sistema de recuperação de vapor
- Sistema de recuperação de líquidos
5
Integração energética
Fonte: Conceptual Design of Chemical Processes (DOUGLAS, 1988).
O primeiro nível de decisões é o regime batelada versus contínuo. Para essa
decisão leva-se em conta que processos contínuos são projetados para operar 24
horas por dia, sete dias por semana por quase um ano, antes que a planta pare para
uma manutenção. Em contrapartida, processos em batelada normalmente possuem
várias unidades que são projetadas para operarem e pararem com freqüência.
Douglas (1988) propôs algumas diretrizes que auxiliam a indicar quando um regime
em batelada pode ter vantagens frente a um processo contínuo, considerando:
a) a taxa de produção: plantas com capacidade maior do que 4.464
toneladas por ano geralmente são contínuas, enquanto as que têm
capacidades menores do que essas operam em regime batelada;
b) as forças de mercado: plantas com regime em batelada
frequentemente são preferíveis para produtos com demanda sazonal ou com
tempos de vida curtos;
c) as restrições operacionais: algumas reações são tão lentas que os
reatores em batelada são a melhor alternativa, por outro lado, alguns
materiais sujam os equipamentos tão rapidamente que esse deve ser
interditados para limpeza em freqüentes intervalos. A operação em batelada
também é a ideal para materiais desse tipo, porque o equipamento
periodicamente inicia e pára a operação, e normalmente é limpo antes que
cada batelada seja processada;
83
Também é proposta uma sequencia de passos para o design dos processos
contínuo e batelada, conforme é apresentado na Tabela 22.
Tabela 22: Primeiro nível de decisões.
Passos Projeto de Processo Contínuo
1
Selecionar as unidades de processo necessárias
2
Escolher as interconexões entre essas unidades
3
Identificar as alternativas de processo que precisam ser consideradas
4 Listar as variáveis de design dominantes
5
Estimar as condições ótimas de processamento
6
Determinar a melhor alternativa de processo
Projeto de Processo Batelada
7
Decidir quais unidades do fluxograma devem operar em batelada e quais devem operar
em contínuo
8
Quais passos do processamento devem ser conduzidos em vasos simples e quais devem
ser em vasos individuais para cada passo do processo
9
Quando é vantajoso usar unidades que operam paralelamente em batelada para melhorar
a programação da planta
10
Quanto armazenamento intermediário é requerido e onde deve ser localizado
Fonte: Conceptual Design of Chemical Processes (DOUGLAS, 1988).
É visível a maior complexidade no projeto de processos que operam em
batelada frente aos que operam em contínuo. Por essa razão é sugerido que a
melhor aproximação para o processo em batelada é projetar primeiramente o
processo contínuo e depois de determinada a melhor alternativa de processo é que
se dá sequencia ao design da operação em batelada.
O segundo nível de decisões é referente à estrutura de entrada e saída,
aonde a atenção é focada em quais matérias-primas entram no processo e quais
produtos e subprodutos saem do processo. As decisões que devem ser tomadas
para fixar a estrutura do fluxograma de entrada e saída são apresentadas na Tabela
23. Douglas (1988) ainda propõe uma série de diretrizes que auxiliam a resolver
tomada de decisões nesse nível do design.
Até essa etapa, de acordo com o cenário, potencial anual e custo de
produção, já é possível definir a matéria-prima a ser utilizada, fazer um levantamento
da sua síntese, caracterização e demais informações de entrada relevantes ao
84
processo, descartar rotas inviáveis e selecionar as possíveis rotas viáveis para levar
ao primeiro e segundo níveis de decisões e fixar seu fluxograma de entrada e saída.
Tabela 23: Segundo nível de Decisões.
Segundo níivel de decisões
1
Deve-se purificar alguma corrente de alimentação antes que entre no processo?
2
Deve-se remover ou reciclar algum subproduto reversível?
3
Deve-se usar uma corrente de reciclo de gás com purga?
4
Deve-se não preocupar-se em recuperar e reciclar algum reagente?
5
Quantas correntes de produto existirão?
6
Quais são as variáveis de projeto para a estrutura de entrada e saída, e quais tendências
econômicas são associadas à essas variáveis?
Para a análise de viabilidade das possíveis rotas de processamento da
biomassa, os dois primeiros níveis de decisões devem ser focados de imediato, já
sendo possível através desta simplificada análise traçar uma diretriz das rotas mais
promissoras a serem focadas para a proposta do modelo de biorrefinaria.
A partir de então, é possível traçar a primeira tendência do potencial
econômico do processo.
3.2.1.2. Potenciais Econômicos
Anteriormente foi apresentada uma hierarquia de decisões que simplificam o
desenvolvimento do design de um projeto conceitual. Para cada um dos níveis da
hierarquia de decisões pode ser definido um potencial econômico, que se tornará
mais complexo à medida que se tomem as decisões dos últimos níveis, o qual irá
considerar mais estruturas, equipamentos e utilidades, estabelecidos nas fases
finais do design. Assim, ao longo de um projeto, pode-se definir um Potencial
Econômico 1 (EP
1
), Potencial Econômico 2 (EP
2
), e assim sucessivamente, até a
Análise Global de Viabilidade Econômica do projeto.
A primeira estimativa de Potencial Econômico (EP
1
) é baseada nos atuais
custos com matérias-primas e preços dos produtos, conforme é apresentado em (5).
ܧܲ
ଵ
ൌ ܴ݁݊݀݅݉݁݊ݐ݋ݏ െ ܥݑݏݐ݋
ெ௔௧é௥௜௔ି௉௥௜௠௔
(5)
85
Depois que forem concluídos os balanços materiais e energéticos, podem ser
avaliados os custos com utilidades, e o potencial econômico pode ser revisado,
conforme apresentado em (6).
ܧܲ
ଶ
ൌ ܴ݁݊݀݅݉݁݊ݐ݋ݏ െ ܥݑݏݐ݋
ெ௔௧é௥௜௔ି௉௥௜௠௔
െ ܥݑݏݐ݋
௎௧௜௟௜ௗ௔ௗ௘௦
(6)
Assim, conforme forem calculados os custos dos equipamentos de cada nível
de decisões, esses podem ser extraídos do potencial econômico revisado, conforme
é apresentado em (7).
ܧܲ
௡
ൌ ܴ݁݊݀݅݉݁݊ݐ݋ݏ െ ܥݑݏݐ݋
ெ௔௧é௥௜௔ି௉௥௜௠௔
െ ܥݑݏݐ݋
௎௧௜௟௜ௗ௔ௗ௘௦
െ
∑
ሺܥݑݏݐ݋ሻ
௝
௡
௝ୀଵ
(7)
Se o Potencial Econômico ficar significantemente menor do que zero em
qualquer momento da análise, devem-se redirecionar os esforços para uma
alternativa de menor custo para o processo.
Para atender ao objetivo da presente metodologia, sugere-se a utilização das
informações de quantidade de matéria-prima e reagentes envolvidos que são
alimentados anualmente ao processo e seus respectivos custos, além das
informações de produtividade anual dos produtos e subprodutos da rota em análise,
e seus respectivos preços de mercado. Para o calculo EP
1
anual será incorporada a
conversão química, x, à parcela de Rendimentos da Equação (5), conforme
apresentado em (8), enquanto os custos com matéria-prima podem ser aproximados
conforme apresentado em (9).
ܴ݁݊݀݅݉݁݊ݐ݋ݏ ൌ
ݔ כ ሺሺ
∑ ሺ
ܲݎ݁ç݋
௉௥௢ௗ௨௧௢
כ ܲݎ݋݀ݑçã݋
஺௡௢
ሻ
୨
௡
௝ୀଵ
൅
ሺ
∑
൫ܲݎ݁ç݋
ௌ௨௕௣௥௢ௗ௨௧௢
כ ܲݎ݋݀ݑçã݋
஺௡௢
൯
୨
ሻ ൅
௡
௝ୀଵ
ሺ
∑ ሺ
ܲݎ݁ç݋
௉௥௢ௗ௨௧௢
כ
௡
௝ୀଵ
ܲݎ݋݀ݑçã݋
஺௡௢
ሻ
୨ ୍୬ୢୣ୮ୣ୬ୢୣ୬୲ୣୱ ୢୣ .୶
(8)
ܥݑݏݐ݋ݏ
ெ௔௧é௥௜௔ି௣௥௜௠௔
ൌ
∑
ሺܥݑݏݐ݋
ோ௘௔௚௘௡௧௘
כ ܣ݈݅݉݁݊ݐܽçã݋
஺௡௢
ሻ
௝
௡
௝ୀଵ
(9)
Uma curva Conversão versus Lucratividade Anual pode ser traçada para cada
rota em análise e então um comparativo dos EP
1
pode ser feito, indicando as rotas
mais promissoras a serem estudas com maior profundidade.
86
3.3. ESTRUTURAS CENTRALIZADAS E DESCENTRALIZADAS
A proposta da estrutura descentralizada tem a vantagem do aproveitamento
da biomassa disponível de forma dispersada por várias regiões. A idéia do modelo
proposto é que o processamento da biomassa, atualmente centralizado em grandes
plantas industriais, seja dividido em duas ou três etapas.
A Figura 24 apresenta um esquema do padrão atual de produção, onde cada
local de produção, em geral centralizado em grandes produções de monocultura,
envia a biomassa para uma grande usina que, após o processamento, transportará o
produto final pronto para ser comercializável.
Figura 24: Estrutura do padrão atual de produção.
No modelo proposto, a chamada Biorrefinaria Primária, ou etapa
descentralizada, deve ser implementada no local de disponibilidade de biomassa e a
utilizaria, após a colheita, separação e pré-tratamento, para uma separação primária,
obtendo produtos primários e intermediários. Os produtos primários podem ser
diretamente comerciáveis, enquanto os produtos intermediários de várias unidades
primárias descentralizadas podem ser transportados a uma unidade regional para
um pré-tratamento, conversão primária e passando a seguir pela separação
secundária, obtendo produtos finais comerciáveis e outra gama de produtos
87
intermediários, comerciáveis após uma especificação na terceira etapa, ou etapa
centralizada.
A Figura 25 esquematiza a estrutura do modelo de produção proposto.
Figura 25: Estrutura do modelo proposto de produção.
Esse modelo é uma alternativa à centralização de produções, com redução da
escala de produção dos compostos intermediários, utiliza biomassas disponíveis
regionalmente, integra sistemas de produção de alimentos, produtos químicos,
materiais e energia, potencializando os recursos regionais, além de reduzir custos
com logística. Outras vantagens oriundas da redução da escala é a agregação de
valor, diversificação da produção, baixo menor impacto ambiental e melhora da
distribuição da renda.
Para uma análise global de viabilidade econômica das etapas centralizadas e
descentralizadas sugere-se a metodologia clássica de Peters e Timmerhaus (1991).
3.3.1. Avaliação Global de Viabilidade Econômica
Para a avaliação econômica do processo pode-se utilizar a planilha
desenvolvida por Peters e Timmerhaus (1991), onde, para o cálculo do custo fixo, o
principal dado a ser fornecido é o custo dos equipamentos utilizados.
Para determinar-se o tempo de retorno de investimento, precisa-se ter em
88
mente alguns conceitos:
a) o capital fixo de investimento (FCI) é definido como a soma dos custos
fixos e dos custos variáveis do projeto;
b) os custos fixos são aqueles relacionados aos equipamentos (compra e
instalação), com todos os auxiliares para a completa operação do processo.
Representam a soma dos custos diretos e indiretos;
c) os custos variáveis consistem no capital investido com a aquisição de
matérias-primas, e consumo de utilidades.
Como estimativa de custos fixos e variáveis totais do projeto, pode-se tomar
como base a planilha desenvolvida por Peters e Timmerhaus (1991), na qual se
encontram as faixas de distribuição percentual dos componentes dos custos diretos
e indiretos de acordo com o tipo de processo em análise. A partir desta planilha
obtêm-se também o capital de trabalho (WC), o qual está relacionado com
quantidade de horas-homem, e o capital total investido (TCI), que vem a ser a soma
do capital de trabalho com o capital fixo do investimento. Nessa tabela também se
aproximam os valores de faturamento bruto e os custos de trabalho (matéria-prima e
mão-de-obra).
Fornecendo-se os dados de equipamentos e matéria-prima, os valores de
Payback, retorno do investimento e retorno líquido do processo são fornecidos,
considerando-se a depreciação dos equipamentos.
A planilha também permite obter o ponto de equilíbrio da planta e a
lucratividade após Start up do processo.
Com essa análise, poderá ser aproximada a capacidade de cada unidade
descentralizada, o número de unidades que uma unidade regional deverá atender na
especificação do produto e sua localização para que essa integração entre as
etapas seja viável.
89
4. ESTUDO DE CASO: BIORREFINARIAS A PARTIR DE MICROALGAS
Com a preocupação acerca do aquecimento global decorrente das emissões
de CO
2
, o estudo da produção de microalgas tem recebido especial atenção como
sendo uma das alternativas mais importantes e viáveis para a captura de CO
2
.
As microalgas são um grande grupo de microorganismos capazes de realizar
fotossíntese que podem crescer rapidamente devido a sua estrutura simples. Seu
metabolismo é similar às plantas que vivem na terra, convertendo gás carbônico em
oxigênio e ácidos graxos, em presença de luz. Em sua parede, formada por sílica,
geralmente tais ácidos graxos são acumulados, o que os torna comercialmente
interessantes, pois tais óleos podem ser aplicados em uma série de produtos para
benefício humano podendo inclusive ser utilizado na produção de biodiesel. A
Tabela 24 apresenta algumas das aplicações típicas empregadas atualmente.
Tabela 24: Exemplos de utilização de biomassa algal para uso humano.
Espécie de alga
Utilização
Spirulina (Arthrospira platensis) / Cyanobacteria
Suplemento alimentar
Cosméticos
Chlorella vulgaris /Chlorophyta
Suplemento alimentar
Dunaliella salina / Chlorophyta
β-caroteno
Odontella aurita / Bacillariophyta
Remédios
Cosméticos para bebês
Isochrysis galbana /Chlorophyta
Suplementos
Phaedactylum tricornutum / Bacillariohyta
Remédios
Produção de combustíveis
Muriellopsis sp. /Chlorophyta
Suplementos alimentares
Atualmente elas têm sido investigadas para produção de diferentes
biocombustíveis incluindo biodiesel, bio-óleo, biogás de síntese e bio-hidrogênio. As
vantagens da utilização de microalgas são as seguintes (BRENNAN e OWENDE,
2010):
a) são consideradas como um sistema biológico muito eficiente para a
coleta de energia solar para a produção de componentes orgânicos;
b) podem produzir durante todo o ano, portanto, a produtividade de óleo
de culturas de microalgas excede o rendimento das melhores oleaginosas;
90
c) embora cresçam em meio aquoso, precisam de menos água do que
plantas terrestres, portanto, reduzindo a carga sobre as fontes de água doce;
d) seu cultivo pode ser feito em água marítima ou salobra e em terras não
aráveis e, portanto, não incorre na degradação dos solos, minimizando os
impactos ambientais associados, ao mesmo tempo em que não compromete
a produção de alimentos, forragens e outros produtos derivados de culturas;
e) muitas espécies apresentam teor de óleo na faixa de 20-50% do peso
seco de biomassa, e além disso, microalgas têm um potencial de crescimento
rápido, sendo capaz de dobrar sua biomassa em períodos tão curtos quanto
3,5 h;
f) em relação à manutenção e melhoria da qualidade do ar, a produção
de biomassa de microalgas pode efetuar biofixação de CO
2
de resíduos (1 kg
de biomassa seca de algas utilizam cerca de 1,83 kg de CO
2
);
g) seus sistemas de produção podem facilmente ser adaptados a vários
níveis operacionais e tecnológicos;
h) nutrientes para o cultivo de microalgas (especialmente nitrogênio e
fósforo) podem ser obtidos a partir de águas residuais, tendo nestes casos
dupla funcionalidade: captura de CO
2
e tratamento de efluentes;
i) cultivo de algas não exige a aplicação de herbicidas ou pesticidas;
j) podem produzir uma série de outros produtos valiosos além do óleo,
tais como proteínas e carboidratos que podem ser utilizados como alimento
para animais ou fertilizantes, ou fermentados para produzir etanol, metano, ou
outros produtos com maior valor agregado;
k) sua composição bioquímica pode ser modulada por diferentes
condições de crescimento, sendo induzidas a produzirem altas concentrações
de componentes de grande importância comercial e o rendimento de óleo
pode ser significativamente melhorado;
l) são capazes de produção fotobiológica de bio-hidrogênio.
91
A combinação dos benefícios da produção de biocombustíveis e outros
produtos de alto valor agregado com elevado potencial de sustentabilidade, a
fixação de CO
2
, a produção de bio-hidrogênio, a possibilidade do e biotratamento de
águas residuais e de empregar águas marinhas como meio de crescimento, dentre
as demais vantagens, apontam para seu grande potencial de aplicação. Esse é o
motivo pelo qual se optou pelo uso das microalgas como matéria-prima do modelo
proposto de biorrefinaria, sendo, porém, necessário determinar a melhor forma para
se efetuar a captura de CO
2
associado a uma utilização eficiente da biomassa
gerada.
4.1. CENÁRIOS DE PRODUÇÃO
Como fonte de CO
2
para o crescimento das microalgas, propõe-se a utilização
das emissões de chaminés industriais. Assim, o CO
2
emitido pode ser canalizado e
redirecionado da chaminé para o borbulhamento em tanques de cultivo de
microalgas. Além de fornecer o CO
2
essencial ao crescimento das microalgas, esse
borbulhamento também terá impacto na recirculação da água do tanque, diminuindo
custo com bombas para essa finalidade. Como essas emissões são feitas de forma
descentralizada e em diferentes magnitudes de taxas, o cultivo de microalgas
também será descentralizado, justificando a proposta de um modelo de biorrefinaria
com estrutura descentralizada.
Com o intuito de analisar a viabilidade do modelo proposto, sugerem-se três
diferentes cenários de taxas de emissões de CO
2
.
Optou-se como primeiro cenário (C
A
) os dados de projeto da empresa MPX
Energia, que desde o segundo semestre de 2009 colocou em andamento um projeto
no setor elétrico, e cuja experiência será realizada na termelétrica de Pecém I, no
Ceará. Em fase de obras, a usina tem previsão para entrar em operação a partir de
2011 e deverá consumir 1,5 milhão de toneladas por ano de carvão mineral,
importado da Colômbia. Esse montante de carvão, quando queimado, jogará por
ano na atmosfera o equivalente a cerca de 800 mil toneladas de CO
2
. Na tentativa
de minimizar o dano ambiental, no primeiro ano, a MPX lançará mão da área de um
hectare para a produção de microalgas. Neste período, serão analisadas quais
cepas são mais propícias para a absorção do carbono, dadas as condições
específicas de uma termelétrica, já que este é um efluente que tem um pH muito
92
ácido. Se a experiência progredir, a empresa planeja trabalhar com lâminas d’água
de 25 hectares já no segundo ano e 100 hectares no início de operação de Pecém I.
Segundo Paulo Monteiro, diretor de Operações de Novos Negócios e Meio Ambiente
da MPX, a absorção de 10% do CO
2
já justificaria a implantação do projeto, porém
medidas complementares, como o reflorestamento, são necessárias
(BIODIESELBR, 2009b).
O segundo cenário (C
B
) baseia-se nos dados de emissões diretas de CO
2
da
Usina Presidente Médici da Companhia de Geração Térmica de Energia Elétrica
(CGTEE), em Candiota (RS), divulgados em seu relatório de sustentabilidade de ano
base 2008. A termelétrica é responsável pela emissão direta de 1.290.916 toneladas
por ano de CO
2
para a atmosfera. A CGTEE também busca aprofundar e
desenvolver pesquisas com foco em microrganismos, em especial as microalgas,
que sejam usados para a redução do impacto ambiental causados pelas emissões
de CO
2
(CGTEE, 2009).
O terceiro cenário (C
C
) utiliza os dados de emissões da unidade da Bunge
Fertilizantes localizada em Rio Grande (RS), publicados em seu relatório de
sustentabilidade do ano base de 2007. Segundo o relatório essa a unidade, que é
responsável pela produção e mistura de fertilizantes, emite o equivalente a
193.725,43 toneladas de CO
2
por ano (BUNGE, 2008). Nas publicações da empresa
não são relatados projetos que utilizem microrganismos para a redução do impacto
ambiental.
A Tabela 25 apresenta os dados para os três cenários de emissão de CO
2
.
Tabela 25: Cenários de emissão direta de CO
2
.
Cenário Indústria
Emissões diretas de CO
2
(t/ano)
C
A
MPX Energia 800.000,00
C
B
CGTEE Usina Presidente Médici 1.290.916, 00
C
C
Bunge Fertilizantes 193.725, 43
Um modelo de recuperação de CO
2
a partir de gases de chaminés para
redirecionamento a tanques de cultivo de microalgas foi desenvolvido, sendo o
projeto básico baseado em emissões típicas de termelétricas, com potências de 50 e
500 MW, e com eficiência de recuperação de 86,60% ao ano. O custo operacional
93
estimado do processo, incluindo a extração de monoetanolamina (MEA),
compressão a 1500 psi, desidratação, transporte até os tanques, sendo assumida
uma distância de 100 km, com fornecimento de aproximadamente 100% do CO
2
recuperado aos tanques, foi estimado em $40,50 e $57,10 por tonelada de CO
2
redirecionado, para as plantas de 500 e 50 MW, respectivamente. O caso da planta
de 50 MW representa tanto uma planta muita pequena, como uma pequena corrente
de uma chaminé de uma grande planta. O modelo também avaliou a eficácia do uso
direto dos gases das chaminés, no entanto, essa opção apresentou custos de 40%
mais caros do que o processo MEA (KADAM, 1997).
O processo MEA já tem sido usado como tecnologia para recuperação de
CO
2
com baixas pressões dos gases. O fluxograma do processo MEA é apresentado
na Figura 26.
Figura 26: Fluxograma do Processo MEA.
Baseado em: Power plant flue gas as a source of CO2 for microalgae
cultivation (KADAM, 1997).
Para a estimativa dos custos operacionais do projeto considerou-se que os
sistemas de cultivo de microalgas não estavam adjacentes às plantas com emissão
de CO
2
, mas sim, a uma distância de 100 km. A etapa de transporte equivale a
aproximadamente 8% dos custos operacionais do processo MEA e pode chegar a
20% desses custos para o processo de bombeamento direto das chaminés
(KADAM, 1997). Esses dados demonstram uma das vantagens das produções de
microalgas descentralizadas e localizadas em complexos adjacentes às unidades de
94
emissões de CO
2
, impactando diretamente na redução dos custos do processo.
Outro modelo é um processo que recupera CO
2
com alta pureza a partir de
gases de chaminé, utilizando membranas. Uma corrente de CO
2
e O
2
é emitida
como produto, sendo que o O
2
pode ser reciclado para enriquecer a corrente de gás
que entra no concentrador da membrana. Os estudos econômicos preliminares se
mostraram favoráveis, obtendo um custo operacional de $21,00 por tonelada de CO
2
recuperado (WALKE, ATKINSON et al., 1988). Essa estimativa de custo aproxima-se
da obtida para outro modelo mais recente, que prevê um custo operacional de
U$16,00 a U$22,00 por tonelada de CO
2
recuperada (IIJIMA, KAMIJO et al., 2003).
No entanto, o custo operacional estimado para esses modelos, com as
tecnologias disponíveis na época, já foi superado pelo emprego de novas e mais
baratas tecnologias e alguns autores já considerarem que este processo esteja
disponível a baixos, ou nenhum custo (CHISTI, 2007), porém se faz necessário
analisar vários parâmetros que afetam sensivelmente essa estimativa. Atualmente
pode ser assumido o custo operacional de U$1,00 por tonelada de CO
2
recuperada,
incluindo as etapas de coleta e redirecionamento de CO
2
para os tanques, com uma
eficiência de 99% na recuperação do CO
2
.
Os custos de implementação desses processos podem flutuar de acordo com
o dimensionamento dos equipamentos como compressores e tubulação, os quais
são projetados de acordo com as características das emissões de cada chaminé.
Para aproximar a produção anual de biomassa proveniente de microalgas
para esses cenários, primeiramente é necessário definir a reação de síntese das
microalgas.
4.1.1. Síntese de Microalgas
Em geral, a composição da microalga é dada por CO
0,48
H
1,83
N
0,11
P
0.01
(GROBBELAAR, SOEDER et al., 1990). De forma genérica, a equação de síntese
da microalga é pode ser representada conforme é apresentada em (10).
ܥܱ
ଶ
൅ ܪ
ଶ
ܱ െ െܮܷܼ, ܵܣܫܵ ܯܫܰܧܴܣܫܵ ՜ ܥܱ
଴,ସ଼
ܪ
ଵ,଼ଷ
ܰ
଴,ଵଵ
ܲ
଴,଴ଵ
൅ ܱ
ଶ
(10)
Estequiometricamente, a reação de síntese da microalga pode ser
representada como em (11).
95
ܥܱ
ଶ
൅ 0,915 ܪ
ଶ
ܱ ൅ 0,11 ܰ ൅ 0,01 ܲ ՜ ܥܱ
଴,ସ଼
ܪ
ଵ,଼ଷ
ܰ
଴,ଵଵ
ܲ
଴,଴ଵ
൅ 1,2175 ܱ
ଶ
(11)
Com a reação estequiométrica de síntese podem-se calcular as quantidades
de microalga e oxigênio produzidas pelo processo, bem como as quantidades de
CO
2
, água e nutrientes com nitrogênio e fósforos exigidas pelo processo. Porém,
nutrientes como o fósforo devem ser fornecidos significativas quantidades de
excesso por causa dos complexos formados com fósforo e íons metálicos,
consequentemente, nem todo fósforo adicionado é biologicamente disponível
(CHISTI, 2007).
Sabe-se, porém, que nutrientes para o cultivo de microalgas (especialmente
nitrogênio e fósforo) podem ser obtidos a partir de águas residuais, tendo nestes
casos dupla funcionalidade: captura de CO
2
e tratamento de efluentes (BRENNAN e
OWENDE, 2010), além da redução dos custos com acréscimo de água ao sistema.
4.1.2. Eficiência de Absorção
Dificilmente chega-se a uma eficiência total de absorção dos gases emitidos.
Para a emissão considerada em C
A
, a absorção de 10% do CO
2
já justificaria a
implantação do projeto, conforme declarado pelo executivo da empresa. Em uma
usina americana, para geração de 750 MW (semelhante à brasileira) o cultivo de
microalgas é através de fotobiorreatores, e a eficiência de absorção de CO
2
é de
40%.
Hoje, estudos são direcionados em busca de melhores técnicas que na
prática conduzam a um desempenho de absorção de CO
2
superior aos 40%. Porém,
caso não seja estudada a tecnologia a ser utilizada para que o CO
2
ofertado possa
ser absorvido pela microalga com a maior eficiência possível, o aproveitamento do
mesmo não irá ultrapassar 3% (BIODIESELBR, 2009b).
4.1.3. Produção Anual
Considerando que para cada um dos três cenários, com uma eficiência de
recuperação de 99% do CO
2
emitido das chaminés, e uma eficiência de absorção de
40% para o crescimento das microalgas, consiga-se produzir a biomassa de
96
microalgas, sem as restrições dos sistemas de produção. A Tabela 26 mostra o
potencial de produção para cada um dos cenários.
Tabela 26: Potencial de produção de biomassa para os três cenários.
Cenário
Emissão de CO
2
(t/ano)
Recuperação de CO
2
(t/ano)
Custo de Recuperação
de CO
2
(U$/ano)
Produção de
Biomassa
(t/ano)
C
A
800.000,00
792.000,00
792.000,00
168.192,00
C
B
1.290.916,00
1.278.006,84
1.278.006,84
271.402,18
C
C
193.725,43
191.788,18
191.788,18
40.728,83
Verifica-se o grande potencial de produção para cada um dos três cenários
propostos. Sabe-se, porém, que a eficiência de produção está associada ao sistema
de cultivo de microalgas. Assim, deve ser analisado qual o sistema de produção de
microalgas, dentre os atualmente existentes, que tem melhor rendimento em
biomassa por área instalada e seus custos de implementação e operacionais. Com
isso, poderá ser analisada qual a magnitude de emissão de CO
2
que viabiliza a
implementação de unidades de cultivo de microalgas.
4.1.4. Sistemas de Produção de Microalgas
As microalgas podem ser cultivadas em um grande número de sistemas. Para
pequenas escalas ou de laboratório, o cultivo pode ser feito em pequenos
fotobiorreatores com iluminação interna, ou tanques de água. A temperatura
geralmente pode ser mantida na faixa de 20 a 30 °C.
Os fotobiorreatores utilizam quatro lâmpadas fluorescentes como irradiação
externa, as quais têm um grau de irradiação na superfície interna do vaso
fermentador de 10.000 ou 20.000lx, podendo ser empregados também distribuidores
da iluminação. Uma das principais vantagens de um fotobiorreator com o interior
continuamente iluminado, é que esse pode ser esterilizado sob calor e
pressurização, diminuindo assim possíveis contaminações (AMIN, 2009).
Para o cultivo de escalas maiores as microalgas podem crescer tanto em
sistemas de cultura abertos, nos chamados tanques de recirculação, que podem ser
categorizados em sistemas com água natural (lagos, lagunas e lagoas) e lagoas, ou
97
recipientes artificiais, quanto em sistemas fechados, nos chamados fotobiorreatores.
Ambos sistemas serão discutidos a seguir.
4.1.4.1. Tanques de Recirculação
Os tanques de recirculação são canais rasos aonde as microalgas podem ser
cultivadas. Os tanques são tipicamente estruturados em forma de canais fechados
de recirculação, com 0,3 m de profundidade, construídos em concreto, terra
compactada, podendo ser alinhado com plástico. A agitação e a recirculação são
produzidas por pás rotativas, inseridas no meio do canal, que guiam o fluxo ao redor
do canal de recirculação, e são mantidas sempre operando para evitar a
sedimentação (CHISTI, 2007).
Durante o período de sol, a cultura é continuamente alimentada em frente às
pás rotativas, onde o fluxo começa. A biomassa é continuamente coletada atrás das
pás rotativas, quanto completa uma volta completa no tanque de recirculação
(CHISTI, 2007).
A tecnologia de produção de microalgas em tal tipo de tanque é antiga,
datada de 1950. Sua dimensão é variável, havendo relatos de até 440.000 m² para
produção de algas para alimentação (SPOLAORE, JOANNIS-CASSAN et al., 2006).
Nos tanques, a refrigeração é feita pela evaporação de água, que geralmente
é significativa. Outra grande limitação é a perda de gás carbônico para atmosfera,
fazendo que tais canais tenham baixa eficiência no aproveitamento do gás. A
concentração do inóculo geralmente é baixa, devido à pobre agitação e a
incapacidade de manutenção de zonas escuras. Outra desvantagem é o risco de
contaminação com microalgas e microorganismos não desejados. A vantagem de
seu uso é que tem menor custo de construção e operação do que os
fotobiorreatores, porém, com uma produtividade menor, quando comparada com a
produtividade dos fotobiorreatores.
A Figura 27 apresenta uma visão geral desse tipo de sistema.
98
Figura 27: Esquema da vista aérea de um tanque de recirculação
Baseado em: Biodiesel from microalgae (CHISTI, 2007).
4.1.4.2. Fotobiorreatores
Fotobiorreatores são tipos diferentes de tanques, ou sistemas fechados, nos
quais as microalgas são cultivadas e são definidos como uma série de tubos
transparentes, responsável por coletar a luz solar para fotossíntese (CHISTI, 2008).
Ao contrário dos tanques de recirculação, os fotobiorreatores permitem
essencialmente um tipo de cultura de microalgas, por períodos prolongados de
culturas contínuas, e é um dos mais satisfatórios sistemas para culturas ao ar livre,
sendo a maioria construída com tubos de vidro ou plástico.
Os tubos, geralmente feitos de vidro ou plástico, formam o sistema de coletor
de luz solar, no interior dos quais uma solução de microalgas é circulada, advindas
de um reservatório, onde o ar (contendo CO
2
) é alimentado. A alimentação é
mantida constante, durante os períodos de sol. Subsequentemente à passagem
pelos tubos, parte do inoculo é removido como produto e o restante recirculado à
coluna de separação de gás. Água, CO
2
e os nutrientes necessários são providos de
forma controlada, enquanto oxigênio tem que ser removido.
Os tubos coletores de luminosidade são orientados de forma a maximizar a
captação de luz solar, no sentido norte-sul, e têm 0,10m ou menos em diâmetro,
sendo esse diâmetro limitado para que a luz penetre profundamente na cultura,
assegurando uma elevada produtividade do fotobiorreator (CHISTI, 2007). Além
AlimentaçãoProduto
Pá
Sentido do fluxo
Chicana
99
disso, uma série de tubos é disposta verticalmente (como um portão) a fim de
aumentar área de captura solar.
Duas variáveis são importantes no controle de fotobiorreatores: pH e
temperatura. O projeto do tamanho dos tubos deve ser feito baseado nestes fatores,
devido ao aumento da temperatura, causado pelo sol, e o aumento do pH, devido ao
consumo do CO
2
.
Em um arranjo típico, os tubos coletores de luz solar são arranjados um ao
lado do outro e paralelamente ao chão, conforme apresenta a Figura 28.
Figura 28: Esquema de fotobiorreator com passagem horizontal em tubos
paralelos.
Baseado em: Biodiesel from microalgae (CHISTI, 2007).
Uma variação deste tipo de arranjo é feita pondo-se os tubos paralelamente,
porém em plano perpendicular ao chão, para aumentar o número de tubos em uma
dada área. Esse tipo de arranjo é chamado de “cerca” e está esquematizado na
Figura 29.
Os tubos também podem ser feitos de plástico flexível, enrolados em uma
armação para formar um fotobiorreator tubular com estrutura helicoidal (AMIN,
2009). Esse tipo de estrutura é apresentado na Figura 30.
Ar
Gás exausto
Alimentação
Serpentina
Coluna de
separação
de gás
Produto
Bomba
Tubos de coleta solar
100
Figura 29: Esquema fotobiorreator com arranjo de tubos em “cerca’.
Baseado em: Biodiesel from microalgae (CHISTI, 2007).
Figura 30: Esquema fotobiorreator com arranjo helicoidal dos tubos.
Baseado em: Biodiesel from microalgae (CHISTI, 2007).
101
O chão abaixo dos coletores é sempre pintado de branco ou recoberto com
algum material branco para aumentar a refletância. A iluminação artificial é
tecnicamente possível, porém aumenta os custos do processo, quanto comparado
com a operação com luminosidade natural (CHISTI, 2007).
A sedimentação da biomassa é prevenida gerando-se um fluxo com
turbulência com bombas mecânicas ou de ar. As bombas mecânicas, apesar de
serem fáceis de projetar, instalar e operar podem danificar a biomassa. Bombas de
ar têm sido empregadas com sucesso, sendo projetadas através dos mesmos
métodos que originalmente foram desenvolvidos para projetar convencionais
reatores com injeção de ar (CHISTI, 2007).
Sabe-se que a fotossíntese gera oxigênio. A geração máxima de O
2
alcançada por minuto em um típico fotobiorreator tubular pode chegar a 10 g de O
2
m
-3
(CHISTI, 2007). Entretanto, elevados níveis de O
2
dissolvido podem inibir a
fotossíntese, além disso, a elevada concentração de O
2
dissolvido, combinada com
intensa luz solar danifica as células das microalgas (MOLINA GRIMA, FERNÁNDEZ
et al., 2001). Oxigênio não pode ser removido de dentro dos tubos do fotobiorreator.
Isso limita o comprimento máximo do tubo, antes que uma remoção de O
2
se torne
necessária. A cultura deve, periodicamente, retornar à área de desgaseificação,
conforme mostrado na Figura 26, que é borbulhada com ar para remover o O
2
acumulado. Por ser uma zona pobremente iluminada, quando comparada aos tubos
coletores, o volume da zona de desgaseificação deve ser mantido pequeno em
relação ao volume total do coletor de luminosidade.
Tipicamente, o comprimento total de um tubo não deve ultrapassar 80m
(MOLINA GRIMA, FERNÁNDEZ et al., 2001), mas o comprimento exato deve ser
avaliado de acordo com uma série de fatores, incluindo a concentração de
biomassa, luminosidade, taxa de produção e concentração do O
2
entrando no tubo.
Ao longo do comprimento dos tubos do fotobiorreator há um aumento do valor
de pH por causa do consumo de CO
2
, assim, deve haver alimentação de CO
2
na
zona de desgaseificação, como forma de controlar o pH. Pontos adicionais de
injeção de CO
2
podem ser necessários ao longo do comprimento dos tubos, para
prevenir a limitação de carbono e excessivo aumento no pH (MOLINA GRIMA,
FERNÁNDEZ et al., 2001).
Os fotobiorreatores requerem resfriamento durante as horas do dia, sendo
também útil o controle da temperatura durante a noite, diminuindo a temperatura
102
para evitar a perda de biomassa pela respiração. Esse controle pode ser feita com
custos reduzidos utilizando um trocador de calor, localizado na coluna de
desgaseificação (MOLINA GRIMA, FERNÁNDEZ et al., 2001).
Deve-se levar em conta que, além dos critérios relatados anteriormente, a
otimização dos sistemas deve ser feira em função da espécie em particular do
microrganismo, uma vez que as características fisiológicas e de crescimento irão
determinar o desempenho dos sistemas.
Neste sentido, além das configurações de fotobiorreatores citadas, varias
outras vêm sendo propostas, o que inclui geometria retangular, tubular, cônica e
esférica (STEWART e HESSAMI, 2005).
4.1.5. Comparação entre Sistemas abertos e Fotobiorreatores fechados
O cultivo de microalgas em fotobiorreatores possui uma série de vantagens,
em relação aos tanques abertos. Uma das vantagens dos fotobiorreatores tubulares,
comparados aos sistemas convencionais abertos, é que podem ser construídos em
qualquer espaço aberto, podendo operar com uma elevada concentração de
biomassa, mantendo-a isolada de contaminantes e com melhor controlabilidade do
sistema. A escolha do método de produção de microalga para obtenção de seus
produtos requer uma comparação das suas capacidades: o rendimento anual dos
fotobiorreatores é maior do que em tanques de recirculação: produtividades anuais
de 10 a 30 e 50 a 60 toneladas de base seca por cada hectare horizontal de
instalações, para tanques de recirculação e fotobiorreatores, respectivamente, já têm
sido registrados, sendo que as geometrias de cada sistema ocupam
aproximadamente 80% da área superficial instalada (BOWLES, 2007; CARLSSON,
BEILEN et al., 2007). Outros autores já consideraram cenários com maiores
produtividades: 127 (CHISTI, 2007) e de 50 a 60 toneladas de base seca por hectare
cultivado (SIALVE, BERNET et al., 2009) poderiam ser obtidos de tanques de
recirculação, e 150 (SIALVE, BERNET et al., 2009) a valores acima de 263
toneladas de base seca por hectare (CHISTI, 2007) para fotobiorreatores produzindo
microalga Chlorella.
A Tabela 27 apresenta um comparativo entre a produtividade anual por
hectare cultivado para os dois sistemas de produção de microalgas e de algumas
das principais culturas brasileiras, para o ano base de 2009, segundo a Companhia
103
Nacional de Abastecimento (CONAB, 2010).
Tabela 27: Comparativo de produtividade anual por hectare para diferentes
culturas.
Cultura
Produtividade
(t/ha ano)
Cana-de-açúcar
81,30
Arroz
5,5
Mandioca
40,07
Milho
4,2
Soja
1,7
Microalgas (cultivo em tanques de
recirculação)
50-60
Microalgas (cultivo em fotobiorreatores)
150-263
Tais características de produtividade aproximam a produção de microalgas do
meio industrial. Um comparativo entre os diversos fatores pra os tanques de
recirculação e os fotobiorreatores está disposto na Tabela 28 e um comparativo
recentemente publicado (CHISTI, 2007) corrobora as vantagens da produção de
microalgas em fotobiorreatores, em detrimento aos tanques de recirculação. A
Tabela 29 compara os métodos de produção de biomassa de microalgas para os
dois tipos de sistemas. Essa comparação tem como base de cálculo a produção de
100 t de biomassa para os dois sistemas. Considera-se que os dois sistemas
absorvem quantidades idênticas de CO
2
, desprezando-se as quantidades perdidas
para a atmosfera. Os métodos de produção são comparados para combinações
ótimas de produtividade e concentração de biomassa que já foram relatadas para os
dois tipos de sistemas.
A produtividade volumétrica de fotobiorreatores é 13 vezes maior que
tanques. Se considerada a produtividade por área, a produtividade no primeiro caso
é 100% superior. As necessidades de área também favorecem aos fotobiorreatores,
que é aproximadamente 30% inferior, assumindo uma produtividade igual entre os
dois equipamentos.
104
Tabela 28: Comparativo entre os dois principais sistemas de produção de
microalgas.
Parâmetro Tanque de recirculação Fotobiorreator
Espaço requerido
Alto Baixo
Perda de água
Muito Alta, podendo causar
precipitação salina
Baixa
Perda de CO
2
Alta, dependendo da
profundidade do tanque
Baixa
Concentração de O
2
Normalmente suficientemente
baixa por causa da contínua
saída de gases
O
2
deve ser removido para
prevenir inibição da fotossíntese e
danos foto-oxidativos
Limpeza
Desnecessária Necessária
Temperatura
Variável Controlada
Risco de Contaminação
Alto Baixo
Qualidade da biomassa
Alta variabilidade Baixa variabilidade
Concentração de
biomassa
Baixa, entre 0,1 e 0,5 g/l Alta, entre 2 e 8 g/l
Flexibilidade de produção
Possível apenas para poucas
espécies, com difícil troca de
culturas
Alta, inclusive é possível a troca
de culturas
Controle do processo
Limitado (fluxo, agitação,
temperatura apenas pela
profundidade do tanque)
Possível com algumas restrições
Dependência do clima
Alta (intensidade luminosa,
temperatura e chuvas)
Média (intensidade luminosa,
requerido resfriamento)
Partida
4-8 semanas 2-4 semanas
Custo de implantação
Alto (US$ 100.000 por hectare) Muito Alto (US$ 1.000.000 por
hectare, fotobiorreator sistema de
suporte)
Custo de colheita
Alto (devido à baixa
concentração, dependendo da
espécie)
Baixo (devido à alta concentração
de biomassa e melhor controle
sobre as espécies e condições
Atuais aplicações
comerciais
5000 t de biomassa por ano Limitado a processos para
componentes de alto valor
agregado ou algas utilizadas para
alimentação e cosméticos
Modificado de: Micro and Macro-Algae: Utility for Industrial Applications
(CARLSSON, BEILEN et al., 2007).
O custo de separação também é uma vantagem dos fotobiorreatores: como o
inoculo é 30 vezes mais concentrado que nos tanques de recirculação, a separação
da biomassa da água é facilitada (MOLINA GRIMA, BELARBI et al., 2003).
105
Tabela 29: Comparação entre fotobiorreatores e tanques de recirculação.
Variável Fotobiorreator Tanque de Recirculação
Produção anual de biomassa
(kg)
100.000 100.000
Produtividade volumétrica
(kg/m
3
. dia)
1,535 0,117
Produtividade por área
(kg/m
2
. dia)
0,048
a
0,035
b
0,072
c
Concentração de biomassa
(kg/m
3
)
4 0,14
Taxa de diluição
(1/dia)
0,384 0.250
Área requerida
(m
2
)
5.681 7.828
Rendimento de óleo
(m
3
/ha)
136,9
d
99,4
d
58,7
e
42,6
e
Consumo anual de CO
2
(kg)
188.356 188.356
Geometria do sistema
132 unidades de tubos
de 80 m, com 0,06 m de
diâmetro, em paralelo
978m
2
/tanque com 12 m de
largura, 82 m de comprimento e
0,30 m de profundidade
Números de sistemas
6 8
a
Baseado na área do estabelecimento,
b
baseado na área do tanque,
c
baseado na área projetada dos tubos do fotobiorreator,
d
baseado em 70% em peso
de óleo na biomassa,
e
baseado em 30% em peso de óleo na biomassa.
Para as implementações detalhadas na Tabela 29, o custo estimado de
produção para cada quilograma de biomassa de microalgas é U$2,95 e U$3,80 para
fotobiorreatores e tanques de reciclo, respectivamente. Esses valores não
contabilizam os custos do fornecimento do CO
2
. A metodologia utilizada para estimar
estes custos foi previamente descrita (MOLINA GRIMA, BELARBI et al., 2003). Se a
capacidade anual de produção de biomassa ultrapassar 10.000 toneladas, os custos
de produção por quilograma reduzem para U$0,47 e U$0,60, para fotobiorreatores e
tanques de recirculação, respectivamente, por causa da escala econômica (CHISTI,
2007).
106
Para cada um dos cenários propostos, considerando-se uma recuperação de
99% do CO
2
ao custo de U$1,00 por tonelada recuperada, uma eficiência de
absorção de 40% para microalgas com teor de 90% de umidade, com as
produtividades máximas encontradas na literatura de 60 e 263 t/ha para os sistemas
de tanques de recirculação (SIALVE, BERNET et al., 2009) e para fotobiorreatores
(CHISTI, 2007), respectivamente, além dos custos de produção de microalgas para
a devida escala econômica, aproximados por Chisti (2007), os custos de produção e
área requerida para a etapa de cultivo de microalgas pode ser aproximado conforme
apresenta a Tabela 30.
Tabela 30: Custos de obtenção e área requerida para obtenção de microalgas
para cada um dos três cenários.
Variável
Cenários
Fotobiorreator
Tanques de
recirculação
Produção anual de
biomassa
(t base seca)
C
A
16.819,20
C
B
27.140,22
C
C
4.072,88
Produtividade de
biomassa
(t base seca/ ha ano)
263,00 60,00
Área requerida para
implementação
(ha/ano)
C
A
63,95 280,32
C
B
103,19 452,34
C
C
15,49 67,88
Custo de
Recuperação de CO
2
(U$/ano)
C
A
R$ 792.000,00
C
B
R$ 1.278.006,84
C
C
R$ 191.788,18
Custo de Produção de
microalga (U$/ano)
C
A
R$ 7.905,02 R$ 10.091,52
C
B
R$ 12.755,90 R$ 16.284,13
C
C
R$ 12.015,01 R$ 15.476,96
Custo total de
Produção de
microalga (U$/ano)
C
A
R$ 799.905,02 R$ 802.091.52
C
B
R$ 1.290.762,74 R$ 1.294.290,97
C
C
R$ 203.803,18 R$ 207.265,13
Analisando a proposta do uso de microalgas para a tentativa de minimizar o
dano ambiental do C
A
, que lançará o equivalente a cerca de 800 mil toneladas de
CO
2
, na atmosfera, trabalhando com 100 ha de cultivo de microalgas, com os dados
107
apresentados na Tabela 30 percebe-se claramente se os sistemas de produção
forem os tanques de recirculação essa área é tecnicamente insuficiente para se
absorver o CO
2
recuperado, o que não impede da mesma ampliar sua área de
cultivo na tentativa de reduzir o dano ambiental, entretanto, se forem utilizados
sistemas eficientes de fotobiorreatores, é tecnicamente possível essa absorção.
Porém, considera-se que a implementação para produção de microalgas seja
viável até uma área de 20 ha de cultivo, sendo praticamente inviável o controle e
manutenção dos sistemas de produção em áreas superiores, além disso, áreas
maiores de cultivo recairiam no problema da monocultura danosa e na concorrência
com a produção de alimentos. Assim, para as características dos sistemas de
produção previamente descritos o melhor cenário com potencial de implementação
está apresentado na Tabela 31.
Tabela 31: Cenário com potencial de implementação do modelo proposto.
Fotobiorreatores Tanques de recirculação
Máxima e
missão de CO
2
(t/ano)
250.190,40 57.077,63
CO
2
recuperado
da chaminé
(t/ano)
247.688,50 56.506,85
CO
2
absorvido
pela microalga
(t/ano)
99.075,34 22.602,74
Produção de biomassa
de microalga
(t base seca/ano)
5.260,00 1.200,00
Existem, porém, estudos andamento referentes a novos sistemas de
produção. Sierra et al. (2008) propuseram um fotobiorreator de placas planas que
visa conciliar a produtividade dos fotobiorreatores tubulares com os baixos custos de
investimento inicial dos tanques de recirculação aberto. Este reator é do tipo airlift. A
Figura 31 ilustra como este biorreator é montado. As paredes são feitas de
polipropileno transparente o que confere um baixo investimento inicial a este
sistema, porém, ainda não está documentando os custos totais de implementação e
operacionais para este sistema. Pode ser feito o crescimento misto, começando em
fotobiorretares tubulares, passando a seguir para o airlift e por fim em tanques
abertos, mas os resultados da literatura apontam para o reator de placas planas
como sendo a solução mais promissora, sendo desta forma, o ponto de partida para
108
os desenvolvimentos em produção de biomassa em pesquisas em trabalhos futuros.
Figura 31: Desenho esquemático do fotobiorreator de placas planas.
Fonte: (SIERRA, ACIÉN et al., 2008).
4.2. CARACTERIZAÇÃO DE MICROALGAS
As microalgas são compostas de células do tipo eucarióticas, ou seja, células
com núcleos e organelas. Todas as microalgas têm corpos com clorofila que
realizam a fotossíntese. Mas as várias espécies de microalgas têm combinações
diferentes de diferentes tipos de clorofila. A determinação da composição das
microalgas é uma forma de conhecer seu potencial de digestão e obtenção de
determinados produtos.
Microalgas têm um elevado teor de umidade em suas composições, podendo
variar de 80 a 90% (AMIN, 2009). Além de carbono, nitrogênio e fósforo, que são os
principais componentes da composição das microalgas, nutrientes como ferro,
cobalto e zinco também são encontrados (BORCHARDT, STEVENSON et al., 1996).
Estes organismos têm variadas proporções de proteínas, lipídios, carboidratos
e ácidos nucléicos, sendo essas proporções fortemente dependentes da espécie.
Para muitas espécies a elevada proporção de proteínas é caracterizada por uma
baixa proporção de carbono por hidrogênio, especialmente quando comparadas às
plantas terrestres. Esta relação é em média de 10,2 para microalgas, enquanto
chega a 36 para plantas terrestres (ELSER, FAGAN et al., 2000), ou seja,
apresentam uma boa proporção de hidrogênio em sua composição cerca de 3 vezes
maior que a apresentada por outros vegetais.
109
A Tabela 32 apresenta a composição química das principais microalgas
comercialmente disponíveis, sendo essas composições expressas tendo como base
a matéria seca.
Tabela 32: Composição química das microalgas tendo como base a matéria
seca (%).
Espécie de Microalgas Proteínas Carboidratos Lipídios
Anabaena cylindrica 43–56 25–30 4–7
Aphanizomenon flos-aquae 62 23 3
Chlamydomonas rheinhardii 48 17 21
Chlorella pyrenoidosa 57 26 2
Chlorella vulgaris 51–58 12–17 14–22
Dunaliella salina 57 32 6
Euglena gracilis 39–61 14–18 14–20
Porphyridium cruentum 28–39 40–57 9–14
Scenedesmus obliquus 50–56 10–17 12–14
Spirogyra sp.
6–20 33–64 11–21
Arthrospira maxima 60–71 13–16 6–7
Spirulina platensis 46–63 8–14 4–9
Synechococcus sp.
63 15 11
Fonte: Micro-algae as a source of protein (BECKER, 2006).
Além disso, o teor de óleo contido em algumas microalgas pode ultrapassar
50% em peso de massa seca e pode ser estimado em 64,4% do total de lipídios
contidos na biomassa (AMIN, 2009).
A Tabela 33 apresenta a composição de óleo das principais espécies
utilizadas em biodiesel.
A determinação de qual espécie deve ser usada para determinada finalidade,
dependerá, entre outros fatores, dos custos de cultivo, sensibilidade da espécie às
características do meio de cultura, e da composição desejável para obtenção dos
produtos de interesse.
110
Tabela 33: Composição em óleo das principais microalgas para utilização em
biodiesel.
Espécie de Microalgas
Composição de óleo
(% base seca)
Botryococcus braunii 25-75
Chlorella sp. 28-32
Crypthecodinium cohnii 20
Cylindrotheca sp. 16-37
Dunaliella primolecta 23
Isochrysis sp. 25-33
Monallanthus salina 20
Nannochloris sp. 20-35
Nannochloropsis sp. 31-68
Neochloris oleoabundans 35-54
Nitzschia sp. 45-47
Phaeodactylum tricornutum 20-30
Schizochytrium sp. 50-77
Tetraselmis sueica 15-23
Fonte: Biodiesel from microalgae (CHISTI, 2007).
4.3. PROCESSAMENTO DE MICROALGAS
4.3.1. Colheita de Microalgas
Os custos com a recuperação da biomassa podem ser significativos, visto que
a colheita da biomassa pode representar de 20 a 30% dos custos totais da
biomassa, sendo os processos convencionais utilizados para colheita de microalgas
a filtração, centrifugação, fracionamento de espuma, floculação, filtração por
membrana e separação com ultrasom (CARLSSON, BEILEN et al., 2007).
Os custos da recuperação de biomassa em fotobiorreatores são apenas uma
fração dos custos da recuperação por tanques de recirculação. Isso se deve ao fato
de a concentração típica de biomassa no fotobiorreator ser aproximadamente 30
vezes maior do que a que geralmente é obtida em tanques de recirculação. Além
disso, comparando-se com os tanques de recirculação, um volume muito menor tem
que ser processado para que seja obtido uma mesma quantidade de biomassa
111
obtida em fotobiorreatores.
Cloreto de ferro e alumínio são floculantes químicos usados para coletar as
microalgas. Outro material floculante é quitosana. A colheita através de floculação
química é um método que geralmente é muito oneroso para grandes escalas de
operação. A interrupção de fornecimento de dióxido de carbono ao sistema com as
microalgas pode causar a floculação natural, o que é chamado de autofloculação. As
células cultivadas para processos de liquefação podem também ser coletadas
através de separação por centrifugação (AMIN, 2009).
4.3.2. Recuperação de Óleo de Microalgas
Os métodos atualmente empregados para se extrair os lipídios são caros.
Quando as microalgas são desidratadas, retêm o óleo contido, o qual pode ser
extraído por pressurização, podendo também ser extraído com a utilização de
benzeno, éter ou hexano. Esse método, combinado com a pressurização a frio, tem
a eficiência de extração de mais de 95% do óleo presente na alga (AMIN, 2009).
Outros métodos para extração do óleo são a extração enzimática e o choque
osmótico. A extração enzimática utiliza enzimas para degradar as paredes celulares,
o que possibilita facilitar o fracionamento do óleo. O choque osmótico é uma redução
súbita da pressão osmótica, isso pode causar uma ruptura das paredes das células
em solução. Para o fluido supercrítico, o dióxido de carbono é liquefeito sob pressão
e temperatura de forma que o estado de equilíbrio gás e líquido é atingido. Esse
fluido liquefeito age como um solvente na extração do óleo (AMIN, 2009).
4.3.3. Rotas Bioquímicas e Termoquímicas e Produtos de Interesse
As reações de conversão energética de biomassa podem ser classificadas
como bioquímicas, termoquímicas e combustão direta. As principais rotas a partir de
conversão bioquímica são fermentação e transesterificação, enquanto as de
conversão termoquímica são gaseificação, pirólise, liquefação e hidrogenação.
Sabe-se que microalgas apresentam elevado teor de umidade em sua
composição (de 80 a 90%), assim nem todos os processos de conversão podem ser
utilizados. A combustão direta, por exemplo, só é viável a biomassas com teor de
umidade abaixo de 50%. Processos de conversão biológicos são mais vantajosos
112
para elevados teores de umidade na biomassa (AMIN, 2009).
A Figura 32 mostra os possíveis processos de conversão energética a partir
de microalgas.
Figura 32: Esquema de processos para conversão energética a partir de
microalgas.
A produção de energia tem que ser combinada, por exemplo, com a
recuperação de água e nutrientes, além de coprodução de subprodutos de valor
agregado, para fazer com que o cultivo e o processamento sejam economicamente
viáveis (KAMM e KAMM, 2007). No caso do reciclo do nitrogênio e o fósforo, por
exemplo, há redução no uso de fertilizantes e desperdício de nutrientes após a
extração dos lipídios contidos nas microalgas. A digestão anaeróbica pode ser uma
resposta a este problema, pois esse processo biotecnológico pode mineralizar os
resíduos das microalgas que contêm nitrogênio e fósforo orgânicos, resultando em
amônia e fosfato que podem ser usados novamente como substrato para as
microalgas (SIALVE, BERNET et al., 2009).
A Figura 33 apresenta um esquema do modelo conceitual para produção
integrada de biomassa que pode ser adotada para a produção de biocombustíveis a
partir de microalgas.
113
Figura 33: Esquema do modelo conceitual para produção integrada de
biomassa.
Das principais rotas químicas documentadas na literatura para o
processamento da biomassa de microalgas, a viabilidade de cada uma será
discutida a seguir.
4.3.3.1. Gaseificação
Gaseificação é a conversão dos hidrocarbonetos presentes na biomassa em
gases combustíveis como H
2
, CH
4
, CO
2
e amônia por meio de oxidação parcial com
ar, oxigênio e/ou vapor a altas temperaturas, geralmente entre 800 e 900°C. Os
gases produzidos têm poder calorífico inferior em torno de 4 a 6MJ/Nm
3
, e podem
ser diretamente queimados, usados como combustíveis para motores e turbinas, ou
ainda, usados como gás de síntese na produção de produtos químicos (AMIN,
2009).
Embora o gás de síntese apresente um menor poder calorífico, quando
comparado com o gás natural, ele ainda pode ser usado em plantas com ciclo
elétrico de potência com elevada eficiência, ou pode ser usado para produzir
diversos produtos, tais como fertilizantes com amônia, derivados de metanol e
combustíveis de queima limpa.
A Figura 34 apresenta um fluxograma de um sistema de microalgas para
produção de combustíveis a baixas temperaturas de gaseificação catalítica da
biomassa.
114
Figura 34: Fluxograma de um sistema de gaseificação catalítica a baixas
temperaturas.
Conforme o que já foi discutido anteriormente no Capítulo 2, sobre a seleção
de produtos químicos derivados de gás de síntese, hidrogênio e metanol cumprem
com a melhor alternativa de prospecção de artigos biobaseados por possibilitar a
obtenção de alcoóis simples, aldeídos, alcoóis mistos e líquidos de Fischer-Tropsch
a partir da biomassa. Porém, por ser uma rota termoquímica que requer secagem da
microalga e posterior processamento a altas temperaturas esses processos não têm
se mostrado economicamente viáveis, tendo também a etapa de limpeza de gás
como uma das principais barreiras para a produção econômica de Gás de Síntese a
partir da biomassa.
Um novo sistema de produção de energia que usa microalgas com ciclo de
nitrogênio, combinado com gaseificação catalítica a baixas temperaturas da
microalga tem sido estudado (MINOWA e SAWAYAMA, 1999), Também tem sido
desenvolvido um sistema de gaseificação catalítica de biomassa com alto teor de
umidade, sendo que a biomassa é gaseificada diretamente a um gás combustível
rico em metano, sem a necessidade de ser seca, além disso, o nitrogênio presente
na biomassa pode ser convertido em amônia durante a reação (AMIN, 2009).
Porém, esses estudos encontram-se em etapas iniciais, ainda requerendo
desenvolvimentos adicionais que viabilizem a utilização da gaseificação de
microalgas. Assim, a rota química de gaseificação para as microalgas não será
considerada para o modelo proposto.
115
4.3.3.2. Liquefação
O precipitado derivado da centrifugação das microalgas, com alto teor de
umidade, pode ser usado como matéria-prima para a liquefação (FAO, 1997). A
liquefação hidrotérmica direta em condições subcríticas da água é uma tecnologia
que pode ser empregada para converter biomassa úmida a combustíveis líquidos.
A liquefação é feita em solução alcalina a uma temperatura de
aproximadamente 300°C, à pressão de 10MPa, sem hidr ogênio e/ou monóxido de
carbono (MINOWA, YOKOYAMA et al., 1995).
A liquefação pode ser feita com a utilização de uma autoclave de aço
inoxidável, com mistura mecânica. A autoclave é carregada com o precipitado das
microalgas, seguido da introdução de nitrogênio para purgar o ar residual. A reação
é iniciada com o aquecimento da autoclave a uma temperatura fixa e elevada
pressão do nitrogênio. A temperatura é mantida constante por um período de 5 a
60min, sendo em seguida resfriada com a utilização de um ventilador (AMIN, 2009).
A reação é extraída com diclorometano para separar as frações. O extraído
do diclorometano é filtrado da mistura da reação, sendo o diclorometano residual em
seguida filtrado e evaporado a 35°C, sob reduzida p ressão, remanescendo um
material viscoso marrom escuro. A fase aquosa resultante depois da extração com
diclorometano (fração insolúvel) é lavada com água e filtrada do diclorometano
insolúvel (MINOWA, YOKOYAMA et al., 1995).
O resultado da liquefação das microalgas é um óleo pesado, com rendimento
de 30 a 44%, com a composição de 73% de carbono, 9% de hidrogênio, 5% de
nitrogênio, 13% de oxigênio. O poder calorífico é de 34,7kJ/g, e sua viscosidade é
de 860cps (FAO, 1997).
A Figura 35 apresenta o esquema das principais etapas da separação.
Um estudo relatou um rendimento em óleo de aproximadamente 37% (base
orgânica) por liquefação hidrotérmica direta a 300°C e 10MPa, a partir de Dunaliella
tertiolecta, com teor de umidade de 78,4%. O óleo obtido na reação com
temperatura de 340°C e tempo de residência de 60 minutoss obteve uma
viscosidade de 150 a 330 mPas e poder calorífico de 36 kJ/g (MINOWA,
YOKOYAMA et al., 1995). Em outro estudo, o óleo recuperado de Botryococcus
braunii, um rendimento máximo em óleo de 64%, em base seca, foi obtido por
liquefação a 300°C, catalisado com carbonato de sód io (AMIN, 2009).
116
O poder calorífico pode ser calculado de acordo com a equação de Dulong. O
gás produzido é composto principalmente de metano e gás carbônico (AMIN, 2009).
Figura 35: Esquema de separação para liquefação de microalgas.
Baseado em: Renewable biological systems for alternative sustainable energy
production (FAO, 1997).
Os resultados experimentais desses estudos indicam que óleo pode ser
produzido a partir do CO
2
utilizando as microalgas. Porém existem problemas que
necessitam ser suplantados para que esta rota seja viável e posta em prática. Um
dos problemas é o alto teor de nitrogênio presente no óleo obtido, sendo esse maior
que o presente no petróleo, o que pode ser uma fonte potencial de síntese de NO
x
no caso da utilização como combustível (FAO, 1997). Outro problema, conseqüência
do primeiro, é a necessidade de tratamento e limpeza do gás para que seja
prevenida a formação do NO
x
, tornando essa rota muito onerosa (FAO, 1997).
Essas limitações devem ser superadas para a fixação de CO
2
e o uso da
microalga na produção de óleo pela rota de liquefação. Assim, a rota química de
liquefação também não será considerada para o modelo proposto.
4.3.3.3. Hidrogenação
Hidrogenação é uma reação de redução química que ocorre quando uma
molécula é obtida pela adição de hidrogênio (H
2
) a uma molécula saturada, que
contenha dupla ou tripla ligação, na presença de um catalisador.
117
A hidrogenação de microalgas é feita com a utilização de autoclave, em
condições de altas temperaturas e pressão, na presença de um catalisador e um
solvente. É uma operação de três fases, nas quais deve ser estabelecido contato
com a fase gasosa (fase do hidrogênio e hidrocarboneto), fase líquida (mistura do
solvente e do produto líquido), e fase das partículas sólidas (microalgas e
catalisador), para que seja alcançada a conversão da microalga e para promover a
transferência de calor e massa (FAO, 1997).
Um reator de leito fluidizado, conforme apresentado na Figura 36, é
empregado para operar o processo de três fases. O reagente gasoso é borbulhado
no líquido com um dispersor do gás no fundo do reator, e as partículas sólidas,
misturadas ao líquido, são alimentadas ao reator. Os reagentes gasosos e sólidos,
primeiramente dissolvidos na fase líquida, são difundidos com o reagente líquido no
catalisador. Todos os reagentes então reagem na superfície do catalisador (AMIN,
2009).
Os produtos líquidos, partículas sólidas e os materiais que não reagiram são
continuamente bombeados para fora, mantendo o nível do líquido constante dentro
do reator, e para manter constante a composição da fase líquida. Os produtos
gasosos e os materiais que não reagiram ficam no espaço acima da superfície do
líquido, saindo através de um tubo de gás (AMIN, 2009).
Microalgas puderam ser experimentalmente convertidas a hidrocarbonetos
líquidos a temperaturas entre 400 e 430°C e pressão de operação do hidrogênio
varia de 7 a 14 MPa, na presença de molibdênio de cobalto como catalisador (FAO,
1997). O maior rendimento registrado nessas condições foi de 46,7%, em massa da
base de microalga alimentada. Além disso, mais de 10% e 34%, em massa, de
produtos líquidos e gases ricos em hidrocarbonetos, respectivamente, foram obtidos.
Em geral, maiores temperaturas e tempos de reação aumentam o grau de
conversão e rendimento do óleo, sendo que esse rendimento também aumenta
proporcionalmente com o máximo aumento da pressão de hidrogênio, em torno de
8,2MPa, e depois estabilizando-se (FAO, 1997).
Outro estudo relatou que a utilização de temperaturas e pressões muito altas
catalisou o processo de hidrogenação, resultando em um rendimento próximo a 50%
de hidrocarbonetos líquidos (SATIN, 2008).
118
Figura 36: Esquema de um reator de leito fluidizado.
Baseado em: Renewable biological systems for alternative sustainable energy
production (FAO, 1997).
A rota termoquímica de hidrogenação apesar de ser tecnicamente viável, não
se mostra promissora na conversão de microalgas por alguns motivos. O primeiro é
a necessidade de processamento a altas temperaturas e pressões para uma
conversão que justifique o processo, o que requer um alto investimento em
equipamentos. Outro motivo é que essa rota não permite a obtenção de produtos
com maior valor agregado, os hidrocarbonetos que podem ser obtidos não são
comercialmente competitivos com os derivados do petróleo.
Essa rota ainda requer desenvolvimentos adicionais que viabilizem sua
utilização no processamento de microalgas. Assim, também não será considerada
para o modelo proposto.
4.3.3.4. Pirólise
Pirólise é a conversão de biomassa em biocombustíveis, carvão e uma fração
gasosa, pelo aquecimento da biomassa na ausência de ar e com temperatura de
aproximadamente 500°C (MCKENDRY, 2002), ou pelo aqu ecimento na presença de
119
um catalisador a altas taxas de aquecimento, de 10
3
a 10
4
K/s, e com um reduzido
tempo de residência do gás, para quebra em menores cadeias moleculares, para
depois ser rapidamente resfriado, passando para o estado líquido (ZHANG, CHANG
et al., 2007).
Como as microalgas têm um elevado teor de umidade, um processo de
secagem requer muita energia para aquecimento (YANG, FENG et al., 2004). As
microalgas são sujeitadas à pirólise em um reator de leito fluidizado. Os resultados
da reação fluem então para um ciclone, sendo feita a separação em carvão,
biocombustível e gás. O gás resultante pode ser usado para o aquecimento na
secagem da matéria-prima ou do aquecimento para o processo de pirólise.
O principal produto da pirólise é o bio-óleo, que pode ser usado em motores e
turbinas, e na alimentação de refinarias (MCKENDRY, 2002).
O bio-óleo tem um poder calorífico superior de 17 MJ/kg, enquanto o do óleo
combustível convencional é em torno de 42 a 44 MJ/kg (BRIDGWATER e
PEACOCKE, 2000). O poder calorífico do bio-óleo proveniente de microalgas é em
média 29MJ/kg, o que equivale a 1,4 vezes o da madeira (MIAO, WU et al., 2004).
Os valores típicos das composições dos bio-óleos de microalgas são de
61,92% de carbono, 8,5% de hidrogênio, 20,19% de oxigênio, 9,79% de nitrogênio,
com densidade de 1,16kg/l e viscosidade de 0,10Pas (a 40°C) (MIAO, WU et al.,
2004).
Dentre as vantagens da utilização do bio-óleo cita-se: as propriedades físicas
do bio-óleo das microalgas o fazem mais satisfatórios para o uso como óleo
combustível do que os provenientes de materiais lignocelulósicos, seu menor teor de
oxigênio faz com que tenha maior estabilidade de armazenamento do que o bio-óleo
proveniente da madeira, além disso, os combustíveis líquidos provenientes da
pirólise rápida de microalgas podem ser usados em várias aplicações como
substitutos diretos de combustíveis convencionais e produtos químicos.
O processo de pirólise lenta, com baixas taxas de aquecimento e longo tempo
de residência, foi anteriormente estudado. O longo tempo de residência ocasionava
um craqueamento secundário dos produtos primários, reduzindo o rendimento e
afetando de forma adversa as propriedades dos biocombustíveis. Além disso, as
baixas taxas de aquecimento e longo tempo de residência aumentavam a energia
requerida pelo processo (MIAO, WU et al., 2004; GRIERSON, STREZOV et al.,
2009).
120
Recentemente, vários estudos têm focado especial atenção no processo da
pirólise rápida que consiste no aquecimento da biomassa o mais rápido possível a
uma temperatura controlada de aproximadamente 500°C e ausência de ar, em
seguida os produtos são resfriados em menos de 2 segundos. Dentre as suas
vantagens cita-se a obtenção de produtos líquidos úteis e de valor agregado,
coprodução de carvão, maximização da produtividade com alta eficiência, não
necessita de energia externa, pois é autossuficiente, não há emissões, produção
bastante versátil, perfeitamente segura e seus produtos têm aplicação em geração
de calor e energia, produtos químicos e commodities e combustíveis de
transporte(BRIDGWATER e PEACOCKE, 2000).
Outra vantagem da pirólise rápida é que pode produzir diretamente
combustível líquido (BRIDGWATER e PEACOCKE, 2000). Se na pirólise é usado o
ponto de flash, é possível alcançar uma eficiência de mais de 80% na conversão da
biomassa a biocombustível cru. Além disso, o combustível líquido produzido possui
características únicas, tais como líquido marrom escuro com alta fluidez,
combustível, mas não inflamável, poder calorífico em torno de 17 KJ/kg, imiscível
com hidrocarbonetos, densidade aproximada de 1.2 kg/l, ácido como um pH em
torno de 2,5, odor característico (BRIDGWATER e PEACOCKE, 2000).
A Figura 37 apresenta um fluxograma do processo de pirólise rápida.
Figura 37: Fluxograma do processo de pirólise rápida.
Baseado em: Fast pyrolysis processes for biomass (BRIDGWATER e
PEACOCKE, 2000).
121
Praticamente todas as revisões que têm sido feitas sobre a obtenção e
produtos a partir de microalgas (CHISTI, 2007; AMIN, 2009; DEMIRBAS, 2009;
FATIH DEMIRBAS, 2009; BRENNAN e OWENDE, 2010; HARUN, SINGH et al.,
2010; MATA, MARTINS et al., 2010; TANKSALE, BELTRAMINI et al., 2010),
apontam para utilização da pirólise rápida como sendo um dos processos mais
promissores no processamento de microalgas, sendo a elevada conversão, quando
comparada às outras tecnologias de pirólise, uma de suas vantagens.
A Tabela 34 apresenta as características e conversões de cada tipo de
pirólise.
Tabela 34: Características e conversões de diferentes condições de pirólise.
Características Líquido Carvão Gás
Pirólise Rápida
Temperatura moderada
(~500°C)
Curto tempo de residência
no vapor (<2 s)
75%
25% de
água
12% 13%
Pirólise
Intermediária
Temperatura baixa a
moderada
Moderados tempos de
residência no vapor
50%
50% de
água
25% 25%
Pirólise Lenta
Temperatura baixa a
moderada
Longos tempos de
residência no vapor
30%
70% de
água
35% 35%
Gaseificação
Altas temperaturas
(>800°C)
Longos tempos de
residência no vapor
5%
5% de
água
10% 85%
O foco principal é a obtenção de bio-óleo para posterior especificação em
biocombustível, porém um grande leque de produtos pode ser obtido a partir dessa
rota química. A Tabela 35 apresenta um ranking de máximas produtividades, em %
de massa, demonstrando a grande versatilidade de produção da pirólise rápida.
122
Tabela 35: Produtividade máxima de produtos químicos obteníveis a partir de
pirólise rápida.
Produtividade
(% em massa)
Produtos Químicos
30,40 Levoglucosan
15,40 Hidroxiacetaldeído
10,01 Ácido Acético
9,10 Ácido Fórmico
8,50 Acetaldeído
5,20 Álcool Furfuril
5.00 Catecol
4,00 Metil Glioxal
3,60 Etanol
3,20 Celobiosan
3,10 1,6-Anidroglucofuranoso
2,90 Frutose
2,80 Glioxal
2,40 Formaldeído
2,10 Fenol
2,00 Ácido Propiônico
2,00 Acetona
1,90 Metilciclopentano
1,90 Metil formato
1,90 Hidroquinona
1,70 Acetol
1,60 Angelica lactona
1,50 Siringaldeído
1,40 Metanol
1,30 1-Hidróxi-2-Butanona
1,30 3-Etilfenol
Alguns desafios ainda devem ser superados para sua aplicação em
processos de biorrefinaria, sendo alguns relacionados com a tecnologia, tais como
modificação da biomassa para alimentação, desenvolvimento do reator, calor de
123
transferência, melhora da modelagem, separação do carvão, qualidade do bio-óleo,
normas e padronizações, integrações, e outros desafios genéricos, tais como escala
de produção, redução de custos, plantas mais operacionais, desenvolvimento de
oportunidades, saúde e segurança, falta de familiaridade com os processos e
produtos (BRIDGWATER e PEACOCKE, 2000).
Apesar de ainda requerer desenvolvimentos adicionais para a superação dos
desafios, considera-se essa uma rota termoquímica promissora. Assim, será
considerada para o modelo de biorrefinaria proposto.
4.3.3.5. Transesterificação
Transesterificação é a reação de um ácido graxo ou óleo com um álcool para
formar ésteres e glicerol. As reações são frequentemente catalisadas por um ácido
ou uma base, com um processo catalítico homogêneo ou heterogêneo. O álcool é
combinado com os triglicerídeos para formar o glicerol e o éster. O produto do
processo de transesterificação é o biodiesel. Para que seja alcançado um maior
rendimento do éster, o álcool tem que ser utilizado em excesso, com um rendimento
de aproximadamente 70 a 90% (AMIN, 2009).
O primeiro passo é a remoção do teor de água do óleo pelo aumento da
temperatura a 120°C, por um período de 5 a 10min. A pós pode ser resfriado, e com
o uso de um tanque catalisador com uma mistura de hidróxido de sódio e metanol,
produz metóxido de sódio. Enquanto isso, óleo limpo é aquecido a 60°C, por 5min,
misturado com metóxido de sódio, e a mistura é transferida a um equipamento
ultrasônico ou de agitação, o qual agita a solução por 30min. Após o processo de
agitação, a solução pode ser resfriada e separada. O processo de separação leva de
15 a 60min. O biodiesel flutua na camada de topo, enquanto a glicerina, mais densa,
fica na camada de fundo. No último passo, o biodiesel é lavado, seco, e depois sua
qualidade é analisada (AMIN, 2009).
A Figura 38 apresenta um esquema do processo de produção biodiesel.
124
Figura 38: Esquema do processo de produção do biodiesel.
Do processo de transesterificação tem-se a formação de subprodutos, como
glicerina e sabão. Uma das formas minimizar a formação de sabão é a utilização de
um método sem catalisador com metanol em condições supercríticas. Para a
glicerina, de 80 a 120ml são obtidos por litro de óleo usado (AMIN, 2009).
A utilização de microalgas para a produção de biodiesel é tecnicamente
viável, porém deve ser analisada a viabilidade econômica da sua produção.
A proveniência das microalgas de tanques de recirculação ou de
fotobiorreatores não afeta a recuperação de óleo e sua conversão a biodiesel,
consequentemente, o custo de produção da biomassa é o único fator relevante para
uma avaliação comparativa da produção de biodiesel a partir de microalgas
provenientes dos diferentes sistemas de produção.
Para os sistemas previamente detalhados na Tabela 29, o custo estimado
para a produção de cada quilograma da biomassa de microalga é U$2,95 e U$3,80
para fotobiorreatores e tanques de reciclo, respectivamente. Esses valores não
contabilizam os custos do fornecimento do CO
2
. Se a capacidade anual de produção
de biomassa ultrapassar 10.000 toneladas, os custos de produção por quilograma
reduzem para U$0,47 e U$0,60, para fotobiorreatores e tanques de recirculação,
respectivamente, por causa da escala econômica (CHISTI, 2007).
Assumindo que o teor de óleo da biomassa seja 30%, os custos da biomassa
para produzir 1 litro de óleo seriam em torno de U$1,40 e U$1,81 para
125
fotobiorreatores e tanques de recirculação, respectivamente. A estimativa de custos
do óleo recuperado a partir de fotobiorreatores, que oferece o menor custo de
biomassa, é em torno de U$2,80 por litro. Assim, a recuperação de óleo contribui
50% com o custo final do óleo recuperado.
Em comparação, no ano de 2006 o óleo de palma cru, que é provavelmente o
mais barato óleo vegetal, era vendido a uma média de U$465/t, ou o equivalente a
U$0,52 por litro. No mesmo ano, a cotação do diesel nos Estados Unidos era entre
U$0,66 e U$0,79 por litro. Este preço inclui 20% de impostos, 52% é o custo do óleo
cru, 19% de gastos com refino e 9% de distribuição e marketing. Se os percentuais
das taxas e distribuição forem excluídos, a média de preços seria de U$0,49 por
litro, com 73% de contribuição do óleo cru e 27% de contribuição do refino.
O custo do litro de biodiesel a partir do óleo da palma custa U$0,66, ou 35%
mais do que o diesel. Isso sugere que o processo de conversão do óleo de palma a
biodiesel acrescenta em torno de U$0,14 por litro ao prelo do óleo. Para que o
biodiesel proveniente do óleo de palma fosse competitivo com o diesel, o preço do
óleo de palma não poderia exceder U$0,48 por litro, assumindo a ausência de
impostos ao biodiesel.
Utilizando a mesma analogia, o preço razoável para o óleo de microalga é de
U$0,48 por litro, para que seja competitiva ao diesel. Assim, seria necessário que o
custo fosse reduzido de U$2,80 a U$0,48 por litro.
Como objetivo estratégico, é necessário uma redução do custo de U$0,72,
para óleo proveniente de microalgas com teor de 70% em massa e produzidas em
fotobiorreatores. Estes níveis desejados de redução de custo são significativos, mas
atingíveis quando houver desenvolvimentos adicionais nessa rota.
Uma vez que através de estudos preliminares é possível verificar a baixa
viabilidade econômica desta via tecnológica, transesterificação para obtenção de
biodiesel não será considerada na aplicação do modelo proposto.
4.3.3.6. Fermentação
Atualmente o foco principal como produto da fermentação é dado ao etanol. O
princípio da produção a partir das microalgas é mostrado na Figura 39. Essa
produção consiste no cultivo e colheita da microalga, preparo do caldo, fermentação
e separação do etanol (HIRAYAMA, UEDA et al., 1998).
126
Figura 39: Esquema da produção de etanol a partir das microalgas.
O amido da biomassa é convertido por enzimas a açúcares e os açúcares são
convertido a etanol por leveduras. O processo de purificação do etanol é feito pela
destilação.
Para a produção de etanol a partir de microalgas, primeiramente o amido da
microalga é liberado com o auxílio de equipamentos mecânicos e enzimas. Quando
as células começam a serem degradadas, a levedura Saccharomycess cerevisiae é
acrescentada à biomassa para começar a fermentação. O produto desse processo é
o etanol, o qual é drenado do tanque e bombeado a um tanque de armazenagem
que alimenta a unidade de destilação.
Foi investigada a produção de etanol através de fermentação escura em algas
marinhas verdes Chlorococcum littorale. Sob condições anaeróbicas e sem luz, 27%
do amido celular foram consumidos em 24h a 25°C, se ndo acelerada a
decomposição do amido em temperaturas elevadas. Como produtos da
fermentação, foram obtidos etanol, acetato, hidrogênio e dióxido de carbono. A
produtividade máxima do etanol foi de 450µmol/g de base seca a 30°C (UENO,
KURANO et al., 1998).
Com os desenvolvimentos atualmente existentes, as produtividades
alcançadas de etanol a partir de microalgas pela rota fermentativa não são elevadas.
Analisando a produtividade máxima obtida por UENO et.al. (1998) de 450 µmol de
etanol para cada 1 g de base seca de microalga, ou seja, 0,0207 g de etanol parra
cada 1 g em base seca de microalga, considerando a massa molar de 46,06 g/mol
de etanol puro, verifica-se a grande quantidade de biomassa de microalga requerida
para uma produção significativa. Além disso, atualmente o etanol, por ter se tornado
um commodity químico, é vendido em torno de U$0.50 por litro.
A Tabela 36 apresenta a quantidade de etanol obtenível a partir de cada
127
cenário proposto os custos de produção e a receita gerada com sua venda.
Tabela 36: Produção de etanol para cada cenário proposto.
C
1
C
2
C
3
Produção anual de
biomassa (t base seca)
16.819,20 27.140,22 4.072,88
Custo
total de
de microalga (U$/ano)
799.905,02 1.290.762,74 203.803,18
Produção de
etanol
(l/ano)
441.264,18 712.043,74 106.855,12
Custo de produção do
Etanol (U$/ano)
11.857,54 19.133,85 18.022,51
Custo
total de
produção
do Etanol (U$/ano)
811.762,56 1.309.896,60 221.825,69
Receita do Etanol
(U$/ano)
220.632,09 356.021,87 53.427,56
O custo por litro de etanol produzido a partir de microalgas é U$2.08, e para
que fosse comercialmente competitivo seu custo não poderia exceder U$0,50 por
litro, assumindo a ausência de impostos ao etanol.
Verifica-se claramente que, como objetivo estratégico, é necessária uma
redução do custo de U$1,58 por litro produzido de microalgas produzidas em
fotobiorreatores para não haver prejuízo econômico na produção através dessa rota.
Estes níveis desejados de redução de custo são significativos, mas atingíveis, sendo
o etanol a partir de microalgas competitivo quando houver desenvolvimentos
adicionais nessa rota e quando houver aumento dos preços do etanol petroquímico.
Uma vez que através de estudos preliminares se pode verificar um futuro
promissor, mas um momento crítico pela baixa viabilidade econômica desta via
tecnológica, a fermentação para obtenção de etanol não será considerada na
aplicação do modelo proposto.
Porém, a rota fermentativa não se restringe à produção de etanol, sendo
possível obter vários outros produtos de alto valor agregado, como os produtos de
interesse, chamados blocos de construção, já apresentados no Capítulo 2. Outro
exemplo é a produção de biopolímeros, que podem ser vendidos com um preço de
até U$1.000,00 por tonelada.
No caso do desenvolvimento para a produção de biopolímeros é necessário
128
estudar uma enzima que tenha uma eficiente aplicação na quebra do amido
presente nas microalgas, para que seus produtos sejam convertidos a biopolímeros
por outro micro-organismo.
Um estudo já mostrou a viabilidade da produção extracelular de amilase pelo
Bacillus spp, por via fermentativa (VIDYALAKSHMI, PARANTHAMAN et al., 2009),
sendo as amilases são enzimas que quebram o amido ou glicogênio e podem ser
derivadas de várias fontes como plantas animais e micro-organismos, sendo esses
os de maior vantagem, pela viabilidade econômica de produção, além de serem de
fácil manipulação para a obtenção de enzimas com as características desejadas.
Muitos micro-organismos produzem essa enzima, os mais comuns utilizados para
aplicações industriais são Bacillus licheniformis, Bacillus amyloliquifaciens e
Aspergillus niger, e se salientam como uma classe de enzimas com aplicações úteis
na produção de alimentos, têxtil, detergentes e fármacos.
Alguns desenvolvimentos já têm sido feitos na etapa de conversão de
biopolímeros (OLIVEIRA, DIAS et al., 2007; BOODHOO, CARTWRIGHT et al.,
2010).
Um exemplo são os polihidroxialcanoatos (PHA), uma importante classe de
biopolímeros que são produzidos de uma gama de bactérias cultivadas em fontes de
carbono como glucose e glicerol ou fontes de resíduos de carbono. PHA tem sido
considerado como uma alternativa promissora aos polímeros petroquímicos, com
uma ampla possibilidade de aplicações. Apesar das suas vantagens, atualmente sua
aplicação comercial não tem sido explorada pelos custos de produção maiores do
que os obteníveis dos polímeros petroquímicos e relativamente baixa produtividade,
relatadas entre 0,5 e 1,9 g/l h. Porém uma elevada produtividade pode ser
alcançada com a intensificação de técnicas que comumente envolvem a
imobilização celular, oxigenação do sistema e transporte de nutrientes.
Boodhoo et. al. (2010) tem estudado a caracterização da transferência
hidrodinâmica e de massa de um biorreator para a produção de (PHA) a partir da
fermentação aeróbica com o micro-organismo Pseudomonas putida, para melhorar
sua produtividade, enquanto Oliveira et.al. (2007) tem estudado uma alternativa à
fermentação submersa para a produção de PHA, propondo uma fermentação em
estado sólido (SSF), a qual requer menor investimento e permite a utilização de
resíduos agroindustriais como meio de cultura, reduzindo os custos de produção.
Conclui-se que a aplicação da fermentação no processamento de microalgas
129
para a obtenção de combustíveis como o etanol é atualmente inviável, visto que o
etanol tornou-se um commodity e o seu custo de produção deveria ser muito baixo
para que fosse comercialmente competitivo. Porém, a rota bioquímica da
fermentação torna-se promissora quando objetiva a obtenção de produtos com alto
valor agregado, como os biopolímeros. Assim, para a aplicação da fermentação em
processos de biorrefinarias, são necessários desenvolvimentos adicionais, porém,
será considerada para o modelo proposto, visando futuros desenvolvimentos que
viabilizem a aplicação comercial.
4.4. POTENCIAIS DA BIORREFINARIA DESCENTRALIZADA A PARTIR DE
MICROALGAS
Para uma biorrefinaria a partir de microalgas, das rotas termoquímicas de
processamento atualmente disponíveis, a pirólise rápida mostra-se como a única
promissora.
Dentre as oportunidades dessa rota termoquímica, verifica-se a possibilidade
do processamento de biomassa descentralizada para otimizar as cadeias de
abastecimento de bioenergia, através de armazenamento e transporte, a produção
direta de um combustível líquido com imediatas aplicações de calor, energia e
químicas, a produção direta de um líquido altamente energético que melhora a
logística e sistemas de operação de bioenergia, com densidade energética 10 vezes
maior do que a da biomassa, a versatilidade de processamento e produtos
obteníveis e o grande potencial para aplicações em biorrefinarias.
A pirólise rápida, dentro dos conceitos de biorrefinaria, integra a produção de
produtos químicos de alto valor agregado e commodities, bem como combustíveis e
energia, além de otimizar o uso dos recursos, maximizar a rentabilidade e os
benefícios e minimizar resíduos. Sua aplicabilidade para um modelo de biorrefinaria
com estrutura descentralizada é possível, devendo ser analisada, porém, as escalas
limite de processamento, de forma que a integração energética não seja
economicamente inviável.
O ideal para esse conceito de biorrefinaria é a descentralização em três
etapas, aonde na primeira etapa seja feita a colheita e pré-tratamento da biomassa e
um processamento primário, no qual principalmente combustíveis sejam produzidos,
na segunda etapa, ou processamento secundário, já existe principalmente a
130
produção de commodities, enquanto na terceira etapa, ou processamento terciário
são obteníveis principalmente produtos químicos.
A Figura 40 apresenta um fluxograma esquemático de um conceito de
biorrefinaria que utiliza pirólise rápida para o processamento da biomassa, enquanto
a Figura 41 apresenta a descentralização em três etapas para esse conceito.
Figura 40: Esquema de uma biorrefinaria que utiliza pirólise rápida para o
processamento da biomassa.
Figura 41: Esquema da descentralização da biorrefinaria em três etapas.
131
Das rotas bioquímicas para o processamento da microalga, a fermentação é a
que se mostra como promissora na obtenção de produtos de valor agregado, como
biopolímeros, por exemplo.
Por tratar-se de uma rota que requer condições moderadas para o
processamento, a fermentação pode ser descentralizada em apenas duas etapas. O
processamento primário obtém os produtos de interesse, quanto o processamento
secundário é adequado para a padronização desse produto.
As rotas de pirólise rápida e fermentação podem ainda ser combinadas no
processamento primário, aumentando a integração e aproveitamento no
processamento da biomassa.
A Figura 42 apresenta um esquema representativo dessa integração das
rotas de processamento.
Figura 42: Esquema de integração das rotas de processamento.
O modelo proposto mostra-se promissor para o processamento de biomassa
descentralizada, devendo a metodologia previamente descrita ser usada na análise
global da viabilidade econômica de acordo com o cenário que se deseja
implementar.
132
CONCLUSÃO
O desenvolvimento de tecnologias em biorrefinarias representa a chave para
uma produção otimizada no processamento de biomassa em produtos de alto valor
agregado, diferentes materiais, combustíveis e energia, utilizando a biomassa,
disponível de forma geograficamente dispersada com maior eficiência e o menor
impacto ambiental possível.
Assim, a proposta de biorrefinarias descentralizadas é de grande interesse,
apresentando uma alternativa à centralização de produções em grandes plantas
industriais e à monocultura danosa, pois utiliza biomassas disponíveis regionalmente
e integra sistemas de produção, potencializa os recursos locais, reduz os custos
com logística e impacto ambiental, além de melhorar a distribuição da renda.
Através da revisão bibliográfica apresentada, foi possível identificar as
biomassas com potencial de aproveitamento como matérias-primas no
processamento em biorrefinarias. As principais fontes de biomassas competitivas
são os resíduos vegetais, sólidos urbanos, industriais, animais, florestais, e as
microalgas. Os resíduos orgânicos estão disponíveis em abundância e a baixos
custos, sem uma perspectiva de usos mais atrativos, enquanto as microalgas têm se
apresentado como uma promissora alternativa de obtenção de biomassa.
Também puderam ser analisados os diferentes conceitos de biorrefinarias
atualmente existentes, bem como os principais produtos de interesse, os chamados
blocos de construção, e outras moléculas de alto valor agregado.
Foi proposta uma metodologia para análise da viabilidade de uma biorrefinaria
que propõe a escolha da biomassa de acordo com o cenário para a produção, sendo
necessária conhecer sua síntese e caracterização para identificar quais rotas
químicas e produtos têm potencial no seu processamento. Para análise da
viabilidade das rotas, sugere-se a aplicação da metodologia de Douglas (1988) e
133
análise do potencial econômico, e uma análise global da viabilidade para as etapas
centralizadas e descentralizadas, podendo para isso serem usadas metodologias
clássicas como a proposta por Peters e Timmerhaus (1991).
Como estudo de caso foi proposto um modelo de biorrefinaria que utiliza o
processamento de microalgas como matéria-prima. As unidades utilizariam o CO
2
emitido por chaminés industriais para o crescimento da cultura, logo, as unidades de
cultivo devem ser adjacentes às fontes de emissões, reduzindo assim os custos com
equipamentos, energia e logística, justificando a estrutura descentralizada.
Verificou-se que os fotobiorreatores são os sistemas mais vantajosos de
produção de microalgas, pois apesar de requererem um investimento inicial maior
quando comparados com os tanques de recirculação, apresentam um menor custo
operacional e menor área requerida para a mesma produção, além de maiores
produtividades de microalgas e melhor controlabilidade dos parâmetros
operacionais.
No processamento da microalga verificou-se a inviabilidade econômica da
produção de etanol pela via fermentativa, e do biodiesel através da
transesterificação. A produção desses biocombustíveis justifica-se no
aproveitamento de resíduos como o bagaço da cana-de-açúcar e do cultivo da soja,
por exemplo. Porém, duas das alternativas tecnológicas apontam como sendo as
mais promissoras: o uso das microalgas como substrato de algum outro
microorganismo visando à obtenção de compostos com maior valor agregado por via
fermentativa, como biopolímeros, por exemplo, e o uso do processo de pirólise
rápida para obtenção de bio-óleo que terá que ser processado posteriormente
visando à especificação em biocombustível.
A rota termoquímica de pirólise rápida pode ser descentralizada em três
etapas, aonde na primeira etapa é feita a colheita e pré-tratamento da biomassa e
um processamento primário, no qual principalmente combustíveis são produzidos,
na segunda etapa, ou processamento secundário, já existe principalmente a
produção de commodities, enquanto na terceira etapa, ou processamento terciário
são obteníveis principalmente produtos químicos. Para a rota bioquímica
fermentativa, o ideal é a descentralização em duas etapas, no processamento
primário há a obtenção do produto de interesse, e no processamento secundário há
a padronização do produto.
Este trabalho contribui na etapa de prospecção e delineia diretrizes para o
134
desenvolvimento de um modelo de biorrefinaria com estrutura descentralizada,
sendo a idéia inicial de o projeto selecionar uma biomassa vantajosa à utilização,
determinar as rotas viáveis para seu processamento, e estimar os produtos e
potenciais econômicos para as rotas selecionadas. Porém, a partir das rotas que se
mostram promissoras para o processamento de microalgas, deseja-se obter
produtos diferentes àqueles tradicionalmente produzidos, assim, os parâmetros
necessários para uma análise econômica completa das rotas e produtos desejáveis
não se encontram disponíveis. Contudo, o modelo de biorrefinaria descentralizada
mostra-se promissor, requerendo desenvolvimentos adicionais para a utilização de
microalgas como matéria-prima e para as rotas de processamento selecionadas com
viáveis, ficando esses desenvolvimentos como sugestão para futuros trabalhos na
área.
TRABALHOS FUTUROS
Existe uma série de desenvolvimentos que precisam ser feitos para a
utilização de microalgas como matéria-prima e para cada uma das duas rotas
previamente escolhidas. As seguintes perguntas podem ser citadas como sendo os
principais questionamentos a serem respondidos no âmbito dos trabalhos futuros:
a) quais as espécies de microalgas mais adequada para se proceder na
captura de CO
2
oriundo das emissões de chaminés industriais?
b) quais produtos poderão e deverão efetivamente ser produzidos pela
rota fermentativa?
c) quais são os microorganismos mais adequados para processar a
biomassa produzida pela microalga?
d) qual é o processamento prévio requerido para que a biomassa possa
ser utilizada?
e) qual é o pós-processamento requerido para os produtos gerados?
f) qual é a rentabilidade total e o impacto ambiental de uma determinada
135
rota e/ou alternativa?
g) afinal é economicamente viável se produzir biopolímero a partir de
microalgas?
h) qual é a geometria mais adequada para o reator de pirólise rápida?
i) quais são as condições operacionais mais indicadas para que seja
alcançado o rendimento ótimo?
j) qual é a qualidade do bio-óleo gerado? Ele pode ser usado diretamente
como biocombustível ou precisa ainda ser especificado?
k) em caso se precisar de um pós-processamento, quais são os mais
indicados?
l) os gases gerados pelo processo de pirólise rápida, particularmente o
H
2
, deverão ser empregados para geração de energia elétrica? Existe a
possibilidade do sistema se tornar autossuficiente em termos de energia
elétrica a partir da utilização de células de combustível?
136
REFERÊNCIAS
AMIN, S. Review on biofuel oil and gas production processes from microalgae. Energy Conversion
and Management, v.50, n.7, p.1834-1840. 2009.
BASTOS, V. D. Etanol, alcoolquímica e biorrefinarias. Rio de Janeiro. 2007
BECKER, E. W. Micro-algae as a source of protein. Biotechnology Advances, v.25, n.2, 2007/4//,
p.207-210. 2006.
BIODIESELBR. Motor Diesel: Disponível em <http://www.biodieselbr.com/>. Acesso em 06/01/2009.
2009a.
______. MPX deve utilizar as algas para diminuir emissões de CO
2
: Disponível em
<http://www.biodieselbr.com/>. Acesso em 21/12/2009. 2009b.
BOODHOO, K. V. K., et al. Development of a Higee bioreactor (HBR) for production of
polyhydroxyalkanoate: Hydrodynamics, gas-liquid mass transfer and fermentation studies.
Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, v.In Press, Corrected Proof. 2010.
BORCHARDT, M. A., et al. Nutrients. In: (Ed.). Algal Ecology. San Diego: Academic Press, 1996.
Nutrients, p.183-227
BOWLES, D. Micro- and macro-algae: utility for industrial applications. Output from the EPOBIO
project: CPL Press 2007.
BRACELPA. Associação Brasileira de Celulose e Papel. Relatório estatístico florestal 2003, 2004.:
Disponível em <http://www.bracelpa.org.br/>. Acesso em 17/09/2009. 2004.
BRENNAN, L.OWENDE, P. Biofuels from microalgae--A review of technologies for production,
processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable and Sustainable Energy
Reviews, v.In Press, Corrected Proof. 2010.
BRIDGWATER, A. V.PEACOCKE, G. V. C. Fast pyrolysis processes for biomass. Renewable and
Sustainable Energy Reviews, v.4, n.1, p.1-73. 2000.
BUNGE. Relatório de Sustentabilidade Edição 2008 Brasil. BUNGE. 2008
CARLSSON, A. S., et al. Micro- and macro-algae: utility for industrial applications. Output from the
EPOBIO project. U. S. D. O. Agriculture.: CPL Press 2007.
137
CETESB. Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental. "Inventário Estadual de Resíduos
Sólidos Domiciliares". Relatório 2008. Secretaria do Estado do Meio Ambiente: Disponível em
<http://www.cetesb.sp.gov.br/>. Acesso em 15/09/2009. 2008.
CGTEE. Relatório de Sustentabilidade 2008. Companhia de Geração Térmica de Energia Elétrica.
2009
CHEMICAL ENGINEERING. The Path to biorefineries: Disponível em <Erro! A referência de hiperlink
não é válida.. Acesso em 15/10/2009. 2006.
CHISTI, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, v.25, n.3, p.294-306. 2007.
______. Biodiesel from microalgae beats bioethanol. Trends in Biotechnology, v.26, n.3, p.126-131.
2008.
CIRAD. Centro de Cooperação Internacional em Pesquisa Agronômica para o Desenvolvimento:
Disponível em <http://www.cirad.org.br/>. Acesso em 14/09/2009. 2004.
COMMITEE ON BIOBASED INDUSTRIAL PRODUCTS. Biobased Industrial Products: Research and
Commercialization Priorities. National Research Concil: National Academy of Sciences 2000.
CONAB. Companhia Nacional de Abastecimento. Acompanhamento da Safra Brasileira - Ano base
2009: Disponível em <http://www.conab.gov.br/conabweb/>. Acesso em 20/01/2010. 2010.
CORTEZ, L. A. B., et al. Biomassa para energia. Campinas, SP: Unicamp. 2008
DEMIRBAS, A. Biorefineries: Current activities and future developments. Energy Conversion and
Management, v.50, n.11, p.2782-2801. 2009.
DOUGLAS, J. M. Conceptual Design of Chemical Processes. New York. 1988 (Chemical Engineering
Series).
ELBERSEN, H. W., et al. Transitiepad "Bioraffinage" 2003.
ELSER, J. J., et al. Nutritional constraints in terrestrial and freshwater food webs. Nature, v.408,
n.6812, p.578-580. 2000.
FAO. Renewable biological systems for alternative sustainable energy production. K. Miyamoto.
Osaka: Acesso em <http://www.fao.org/docrep/w7241e/w7241e00.htm#Contents>, em
06/12/2009. 1997.
______. Agricultural production, crops primary — Live animals in the world: Disponível em
<http://www.fao.org/>. Acesso em 16/09/2009. 2004.
FATIH DEMIRBAS, M. Biorefineries for biofuel upgrading: A critical review. Applied Energy, v.86,
n.Supplement 1, p.S151-S161. 2009.
GRIERSON, S., et al. Thermal characterisation of microalgae under slow pyrolysis conditions. Journal
of Analytical and Applied Pyrolysis, v.85, n.1-2, p.118-123. 2009.
138
GROBBELAAR, J. U., et al. Modeling algal productivity in large outdoor cultures and waste
treatment systems. Biomass, v.21, n.4, p.297-314. 1990.
HARUN, R., et al. Bioprocess engineering of microalgae to produce a variety of consumer products.
Renewable and Sustainable Energy Reviews, v.14, n.3, p.1037-1047. 2010.
HIRAYAMA, S., et al. Ethanol production from carbon dioxide by fermentative microalgae. In: (Ed.).
Studies in Surface Science and Catalysis: Elsevier, v.Volume 114, 1998. Ethanol production from
carbon dioxide by fermentative microalgae, p.657-660
HOOGWIJK, M., et al. Exploration of the ranges of the global potential of biomass for energy.
Biomass and Bioenergy, v.25, n.2, p.119-133. 2003.
IBGE. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Levantamento Sistemático da Produção Agrícola -
Ano base de 2004.: Disponível em <http://www.ibge.gov.br/>. Acesso em 16/09/2009. 2004a.
______. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Pesquisa da Pecuária Municipal. Ano base de
2004.: Disponível em <http://www.ibge.gov.br/>. Acesso em 16/09/2009. 2004b.
IIJIMA, M., et al. Flue Gas CO2 Recovery and Compression Cost Study for CO2 Enhanced Oil
Recovery. In: (Ed.). Greenhouse Gas Control Technologies - 6th International Conference. Oxford:
Pergamon, 2003. Flue Gas CO2 Recovery and Compression Cost Study for CO2 Enhanced Oil
Recovery, p.109-114
KADAM, K. L. Power Plant Flue Gas as a Source of Co
2
for Microalgae Cultivation: Economic Impact
of Different Process Options. Energy Conversion and Management, v.38. 1997.
KAMM, B., et al. Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo and Future
Directions. Weinheim: WILEY-VCH, Verlag GmbH & Co. KGaA, v.1. 2006a
______. Biorefineries - Industrial Processes and Products: Status Quo and Future Directions.
Weinheim: WILEY-VCH, Verlag GmbH & Co. KGaA, v.2. 2006b
KAMM, B.KAMM, M. Principles of biorefineries. Applied Microbiology and Biotechnology, v.64, n.2,
p.137-145. 2004.
______. Biorefineries - multi product processes. Advances in biochemical
engineering/biotechnology, v.105, p.175-204. 2007.
LINKO, Y. Y.JAVANAINEN, P. Simultaneous liquefaction, saccharification, and lactic acid
fermentation on barley starch. Enzyme and Microbial Technology, v.19, n.2, p.118-123. 1996.
MATA, T. M., et al. Microalgae for biodiesel production and other applications: A review.
Renewable and Sustainable Energy Reviews, v.14, n.1, p.217-232. 2010.
MCKENDRY, P. Energy production from biomass (part 2): conversion technologies. Bioresource
Technology, v.83, n.1, p.47-54. 2002.
MIAO, X., et al. Fast pyrolysis of microalgae to produce renewable fuels. Journal of Analytical and
Applied Pyrolysis, v.71, n.2, p.855-863. 2004.
139
MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Balanço Energético Nacional, 2004, Ano Base 2003. S. D. Energia:
República Federativa do Brasil 2004.
MINOWA, T.SAWAYAMA, S. A novel microalgal system for energy production with nitrogen cycling.
Fuel, v.78, n.10, p.1213-1215. 1999.
MINOWA, T., et al. Oil production from algal cells of Dunaliella tertiolecta by direct thermochemical
liquefaction. Fuel, v.74, n.12, p.1735-1738. 1995.
MOLINA GRIMA, E., et al. Recovery of microalgal biomass and metabolites: process options and
economics. Biotechnology Advances, v.20, n.7-8, p.491-515. 2003.
______. Tubular photobioreactor design for algal cultures. . J Biotechnol. 92 2001.
OLADE. World energy production. Year base 2003. Energy estatistic.: Disponível em
<http://www.olade.org.ec/>. Acesso em 13 de setembro de 2009. 2004.
OLIVEIRA, F. C., et al. Characterization of poly(3-hydroxybutyrate) produced by Cupriavidus necator
in solid-state fermentation. Bioresource Technology, v.98, n.3, p.633-638. 2007.
ORTEGA, E., et al. A Produção de Etanol em Micro e Mini-destilarias. 2006.
PÉREZ, H. E. B. Biodiesel de Microalgas. Ipen: EnergiaVerde - Biodiesel, MDL e Tecnologia em
Microalgas. Parte 1. 2007.
PESSOA, A., et al. Perspectives on Bioenergy and Biotechnology in Brazil. In: (Ed.). Twenty-Sixth
Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals, 2005. Perspectives on Bioenergy and
Biotechnology in Brazil, p.59-70
PETERS, M. S.TIMMERHAUS, K. D. Plant Design And Economics For Chemical Engineers. New York.
1991 (Chemical And Petroleum Engineearing Series).
PLATFORM GROENE GRONDSTOFFEN. Potential of Coproduction of Energy, Fuels and Chemicals from
Biobased Renewable Resources. E. T. P. O. T. Netherlands 2006.
PNNLNREL. Top Value Added Chemicals From Biomass. U. S. D. O. Energy;: U.S. Department of
Commerce;. V1. Results of Screening for Potential Candidates from Sugars and Synthesis Gas 2004.
RABOU, L. P. L. M., et al. Biomass in the Dutch energy infrastructure in 2030 2006.
REE, R. V.ANNEVELINK, B. Status Report Biorefinery 2007. Agrotechnology and Food Sciences Group.
Wageningen: November 2007. 2007. (847).
SANDERS, J. P. M., et al. Biorefinery, the bridge between agriculture and chemistry. 2005.
SATIN, M. Microalgae: Dispinível em <http://www.fao.org/ag/ags/Agsi/MICROALG.htm>. Acesso em
11/12/2009. 2008.
SIALVE, B., et al. Anaerobic digestion of microalgae as a necessary step to make microalgal
biodiesel sustainable. Biotechnology Advances
, v.27, n.4, 2009/8//, p.409-416. 2009.
140
SIERRA, E., et al. Characterization of a flat plate photobioreactor for the production of microalgae.
Chemical Engineering Journal, v.138, n.1-3, p.136-147. 2008.
SIMÕES, J. A oportunidade do Brasil: Produtividade e eficiência energética da cana-de-açúcar dão
ao Brasil dianteira mundial em etanol; mantê-la depende de mais P&D. Inovação Unicamp. 2006.
SOCIEDADE BRASILEIRA DE SILVICULTURA. Estatísticas do setor florestal brasileiro: Disponível em
<http://www.sbs.org.br/>. Acesso em 16/09/2009. 2001.
SPOLAORE, P., et al. Commercial applications of microalgae. Journal of Bioscience and
Bioengineering, v.101, n.2, p.87-96. 2006.
STEWART, C.HESSAMI, M.-A. A study of methods of carbon dioxide capture and sequestration--the
sustainability of a photosynthetic bioreactor approach. Energy Conversion and Management, v.46,
n.3, p.403-420. 2005.
TANKSALE, A., et al. A review of catalytic hydrogen production processes from biomass. Renewable
and Sustainable Energy Reviews, v.14, n.1, p.166-182. 2010.
UENO, Y., et al. Ethanol production by dark fermentation in the marine green alga, Chlorococcum
littorale. Journal of Fermentation and Bioengineering, v.86, n.1, p.38-43. 1998.
VIDYALAKSHMI, R., et al. Amylase Production on Submerged Fermentation by Bacillus spp. World
Journal of Chemistry, n.4 (1), p.89-91. 2009.
WALKE, L., et al. Recovery of CO2 from flue gas using an electrochemical membrane. Gas Separation
& Purification, v.2, n.2, p.72-76. 1988.
YANG, Y. F., et al. Analysis of energy conversion characteristics in liquefaction of algae. Resources,
Conservation and Recycling, v.43, n.1, p.21-33. 2004.
ZHANG, Q., et al. Review of biomass pyrolysis oil properties and upgrading research. Energy
Conversion and Management, v.48, n.1, p.87-92. 2007.
ZOEBELEIN, H. Dictionary of Renewable Resources: Wiley, v.2. 2007
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo