Açúcar e álcool: maiores desafios da indústria - EQ Júnior
Açúcar e álcool: no Brasil
O Brasil é maior produtor de cana de açúcar do mundo, matéria prima da produção de açúcar e álcool. Só em 2018 foram mais de 635,51 milhões de toneladas de cana produzidas. A região Sudeste do país lidera o ranking nacional sendo responsável por quase 70% da produção. Nas indústrias sucroalcooleiras, a cana de açúcar é transformada em etanol e açúcar comercial, sendo os dois produtos de interesse do usineiro. Mas há muitos desafios presentes nesse processo.
Reações químicas do processo produtivo de açúcar e álcool
As reações químicas que ocorrem na transformação da cana em etanol resultam no primeiro grande desafio da produção. O rendimento mássico máximo que a cana de açúcar pode gerar de etanol é 0,511 gramas de etanol por grama de açúcar.
Isso ocorre por causa da estequiometria de reação do etanol com relação aos açúcares redutores obtidos da cana. Uma vez que nem sempre é possível alcançar esse número. Um dos fatores que prejudica é o tempo decorrido do corte e processamento da cana. O recomendado é que sejam no máximo 36 horas.
Além disso, durante o processo, outras perdas ocorrem em função dos equipamentos. Assim, é considerado uma conversão boa para indústria, cerca de 90% do valor teórico.
Durante a fermentação, as leveduras saccharomyces cerevisiae são envenenadas a medida que produzem o etanol. Isso ocorre porque o composto é altamente tóxico e em grande quantidades, como ocorre nas usinas, levam a morte do organismo. Isso impede que boa parte das leveduras empregadas no processo possam ser reaproveitadas. O destino de muitas leveduras é servir de ração animal para gado, não só no Brasil, mas no países europeus, pois são uma fonte altamente nutritiva com ação probiótica, favorecendo a saúde intestinal dos animais.
Para vencer o desafio da baixa conversão e do envenenamento de leveduras, novas tecnologias têm sido empregadas no processo. Entre elas, a Fermentação Alcoólica Extrativa consiste em retirar o etanol produzido a medida que ele é produzido. Para isso são empregado solventes poucos miscíveis em água mas que consigam extrair o etanol com eficiência, que sejam atóxicos as leveduras e não extraem açúcar do caldo. Após isso, para recuperar o etanol, empregam-se operações como Osmose Inversa, Ultrafiltração e Pervaporação. Alguns solventes empregados são óleo de canola, girassol e linhaça.
Principais problemas na produção
Nas dornas de fermentação encontra-se um dos maiores gargalos do processo. Por causa da baixa conversão dos açúcares redutores em etanol, associada a inibição das leveduras pelo etanol produzido, o teor de etanol obtido nas dornas é muito baixo, ficando entre 7ºGL e 10ºGL.
O maior problema é que o processo gera um segundo componente, a vinhaça. Para cada litro de etanol produzido, têm-se de 10 a 14 litros de vinhaça. Somente em 2017, forma gerados cerca de 362,7 bilhões de litro de vinhaça.
O efluente, ao deixar os destiladores, possui temperatura elevada e baixo pH (caráter altamente corrosivo), percorre o solo até atingir o lençol freático mais próximo. Além de mudar as propriedades físicas da água resultando em problemas ao seres vivos aquáticos, é rica em matéria orgânica e potássio, elevando a demanda química e bioquímica de oxigênio dos ambiente. Isso causa fenômenos como eutrofização que leva a morte de todo o micro ecossistema local.
O impacto ambiental gerado pela vinhaça é correspondente, considerando apenas 2017, ao esgoto doméstico de 519 bilhões de pessoas, algo em torno de 67 vezes a população mundial. Outro problema é que nas colunas de destilação ocorre um grande consumo de vapor, sendo necessário empregar na formação de 1 kg de etanol cerca de 2,5 kg de vapor, que gera um alto custo energético.
Açúcar e álcool: soluções e inovação
As soluções mais empregadas para o problema da vinhaça e da energia envolvem medidas ambientalmente corretas e que geram lucro ao usineiro.
Primeiramente para a vinhaça é possível aplicá-la na fertirrigação, que recupera solos fracos em recursos minerais, incremento em ração animal, adição a massa de cimento e combustão. Há estudos recentes que buscam transformá-la em recurso energético para as indústrias.
Sobre a energia é recomendado que cada vez mais as indústria sucroalcooleiras utilizem o próprio bagaço para gerar energia. O processo é muito eficiente e a queima do material nas caldeiras pode produzir vapor tanto para alimentar as colunas de destilação, quanto ser empregado na cogeração de energia para processos da própria indústria. Além disso, é importante salientar que o excesso de energia produzida pode ser vendido para companhias de energia locais.
O bagaço tem fundamental importância nas indústrias, pois pode ser ainda vendido como ração animal, componente para indústria civil e o produzir mais etanol, chamado lignocelulósico ou etanol 2G. O etanol de 2ª Geração ainda é um grande desafio para as usinas, pois requer mais tecnologia do que a disponível atualmente na indústria nacional. O processo consiste na utilização de um pré-tratamento para quebrar a estrutura do material lignocelulósico; a processos de hidrólise, em que enzimas são utilizadas para converter polímeros de celulose e hemicelulose em açúcares; e de fermentação, com uso de leveduras modificadas geneticamente que transformam os açúcares provenientes da biomassa em etanol.
Os gargalos encontram-se no custo elevado de aquisição dessas enzimas e na utilização de leveduras, uma vez que há organismo mais eficientes na quebra das hexoses do material lignocelulósico. Ademais, um resíduo da cadeia de etanol que apresenta problemas graves para o meio ambiente, em função da sua ação no efeito estufa é o gás carbônico emitido ao longo do processo. Para cada litro de etanol produzido são emitidos 0,8 kg do poluente, totalizando mais de 21,1 milhões de toneladas emitidas em 2018.
A captura do gás pode ser realizada de diversas maneiras. Sendo as mais utilizadas pela indústria utilizá-lo como matéria prima para a produção de diversas substâncias químicas, como por exemplo carbonato e fertilizantes. Outra utilização é torná lo como veículo de arraste de etanol nas dornas que gera menos vinhaça, mais etanol, além de requerer menos energia para a planta industrial, representando uma economia significativa.
Pesquisas recentes provam que utilizar o gás carbônico na formação do poliuretano,polímero amplamente usado na confecção de: espumas rígidas e flexíveis, adesivos, selantes, aumenta consideravelmente a produtividade de polímeros, objeto de interesse para as multinacionais.
Engenharia Química na UFSCar
De fato, há muitos desafios ainda na indústria de açúcar e álcool, no mais variados níveis da produção. Contudo, a tendência do mercado é que cada vez mais as usinas passem se tornar biorrefinarias. São compostas por facilidades e instalações produtivas que geram e utilizam matéria prima de origem vegetal e renovável, operando de forma totalmente integrada. Assim, através de processos físicos-químicos, enzimáticos ou biológicos transformam estas matérias em produtos que atendam às necessidades do consumo moderno, de forma sustentável.
Esses desafios chamam a atenção não só das indústrias, mas dos graduandos em engenharia química por todo o país, pois conseguir solucionar esses gargalos. Por exemplo, desenvolvimento de pré tratamentos mais baratos, microorganismos fermentadores termotolerante e outras inovações no processo, pode gerar muito lucro para quem resolver pesquisar sobre essa área. O Departamento de Engenharia Química da UFSCar, Universidade de São Carlos, (//www.deq.ufscar.br/pt-br) possui como um dos principais focos, a otimização não só, dos processos sucroalcooleiros, mas dos biocombustíveis em si, sendo portanto, uma excelente instituição de pesquisa para esse fim.