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DAMASCENO, Ada Patrícia de Alencar Beserra; et.al. Análise da Viabilidade Técnica e Econômica da Utilização de Óleo Residual de Cozinha, com Coletas em Estabelecimentos de Maceió-AL Para Geração De Biodiesel. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 03, Ed. 02, Vol. 01, pp. 150-159, Fevereiro de 2018. ISSN:2448-0959

RESUMO

O biodiesel é um biocombustível que contribui significativamente na minimização dos impactos ambientais. Sua utilização tem sido uma alternativa para diminuir a dependência dos derivados de petróleo, e assim diversificar a matriz energética mundial. Neste contexto surge o óleo residual de cozinha como matéria-prima para a obtenção de biodiesel, que além de trazer retorno financeiro, traz benefícios ambientais, pois retira um resíduo indesejado do meio ambiente permitindo a geração de uma fonte de energia alternativa, renovável e menos poluente quando comparado ao diesel. Esse artigo se propõe a analisar a viabilidade econômica e tecnológica que tem o óleo residual de cozinha como um potencial e promissor resíduo para a geração de biodiesel com coletas em restaurantes, cozinhas industriais, indústrias alimentícias e em demais setores que descartam óleo em quantidades consideráveis em Maceió-AL. Os resultados econômicos demonstraram ser altamente favoráveis para a concretização do projeto proposto, com retorno financeiro de pouco mais de 4 anos.

Palavras Chaves: Biocombustível, Análise Econômica, Óleo do Bem.

INTRODUÇÃO

O crescente desenvolvimento social e tecnológico, acompanhado pelo aumento da população mundial, tem resultado em uma grande demanda de energia e aumento da poluição. Desse modo, a busca por fontes alternativas de energia, mais limpas e renováveis, tem aumentado nos últimos anos. Dentro deste contexto, o biodiesel tem sido usado em adição ou substituição ao diesel nos setores de transportes e geração de energia em todo o mundo, a fim de minimizar os impactos ambientais (KNOTHE et al., 2006).

Diante desse cenário o biodiesel surge como um combustível biodegradável derivado de fontes renováveis como óleos vegetais e gorduras animais, com uma expressiva capacidade de redução da emissão de diversos gases causadores do efeito estufa, a exemplo do gás carbônico e óxidos de enxofre. O biodiesel representa uma alternativa essencial para atender à crescente demanda energética mundial de forma sustentável.

No Brasil, parte do óleo vegetal residual oriundo do consumo humano é destinado à fabricação de sabões (MITTELBACH, 1988; NETO et. al., 2000) e, em menor volume, à produção de biodiesel (NETO et al., 2000, FERRARI, OLIVEIRA e SCABIO, 2005). Entretanto, a maior parte deste resíduo é descartado na rede de esgotos, sendo considerado um crime ao meio ambiente. A pequena solubilidade dos óleos vegetais na água constitui um fator negativo no que se refere à sua degradação em unidades de tratamento de despejos por processos biológicos e, quando presentes em mananciais utilizados para abastecimento público, causam problemas no tratamento da água. A presença deste material, além de acarretar problemas de origem estética, diminui a área de contato entre a superfície da água e o ar atmosférico impedindo a transferência do oxigênio da atmosfera para a água e, os óleos e graxas em seu processo de decomposição, reduzem o oxigênio dissolvido elevando a Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), causando alterações no ecossistema aquático (DABDOUB, 2006).

Segundo Dib (2010) existem três principais vantagens decorrentes da utilização de óleos residuais de cozinha como matéria-prima para produção de biodiesel: A primeira, de cunho tecnológico, caracteriza-se pela dispensa do processo de extração do óleo, sendo essa uma das etapas quanto trata-se de óleo oriundo de oleaginosas; a segunda, de cunho econômico, caracteriza-se pelo custo da matéria-prima, pois por se tratar de um resíduo o óleo residual de fritura tem seu preço de mercado estabelecido; e a terceira, de cunho ambiental, caracteriza-se pela destinação adequada de um resíduo que, em geral, é descartado inadequadamente impactando o solo e o lençol freático e, consequentemente, a biota desses sistemas.

De acordo com a APROBIO, Associação dos produtores de Biodiesel do Brasil, o nosso país utiliza hoje cerca de 30 milhões de litros de óleo de fritura para processar biodiesel. Cada litro óleo de cozinha reutilizado tem potencial para gerar 980 mililitros do biocombustível. Portanto, com essas considerações procuraremos demonstrar nesse artigo a viabilidade econômica da utilização de óleo residual de cozinha como fonte de matéria-prima para obtenção de biodiesel.

MATERIAIS E MÉTODOS

Processo de transesterificação

O processo para fazer combustível a partir da biomassa usado desde 1800 é praticamente o mesmo usado na atualidade. Os óleos vegetais foram usados nos motores a diesel até a década de 1920 quando uma alteração foi feita nos motores, possibilitando o uso de um resíduo do petróleo que atualmente é conhecido como diesel ou petrodiesel (COSTA e ROSSI, 2000). O processo de transesterificação é, portanto, um dos mais usados para obtenção de biodiesel devido as brandas condições de operação e altas conversões (GUPTA et al., 2010; KNOTHE et al., 2006). Por transesterificação entende-se ser o processo químico que consiste em misturar o óleo com o álcool, metanol ou etanol e, na presença de catalisador, hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio, reage produzindo ésteres metílicos (quando da utilização de metanol) ou ésteres etílicos (quando da utilização de etanol) compondo o biodiesel e a glicerina (MURPHY, 1995). A Figura 1 ilustra o processo de transesterificação com várias oleagunosas, inclusive com óleos residuais:

Figura 1 – Cadeia Produtiva do biodiesel. Fonte: AGE e DONNINI, 2006.

Vários processos tecnológicos estão sendo utilizados para obtenção do biodiesel via transesterificação. Na Figura 1, está mostrado um destes processos para a produção de biodiesel a partir de óleo residual de fritura, constituído por etapas de pré-tratamento da matéria-prima, reação de transesterificação e de purificação do biodiesel obtido. Na reação de transesterificação tem-se a mistura do óleo já tratado e com impurezas reduzidas, um álcool, um catalizador e outros insumos que se demonstrem necessários. No caso do presente trabalho, não houve necessidade de mais insumos além dos três primeiros supracitados. Freedman e colaboradores demonstraram que a alcoólise com metanol é tecnicamente mais viável do que a alcoólise com etanol, particularmente se esse corresponde ao etanol hidratado, cujo teor em água (4-6%) retarda a reação. Sendo assim, escolheu-se o metanol como álcool a ser utilizado no processo.

O catalizador a ser utilizado na reação pode ser tanto do tipo ácido quanto do tipo básico. A catálise básica é mais aplicada, entretanto a presença de impurezas como água e ácidos graxos livres em óleos residuais resulta na formação de sabão e consumo de catalizador. Embora a transesterificação ácida não apresente esse tipo de problema, ela requer longos tempos, além de elevadas temperaturas e razão molar álcool:óleo. Sendo assim, a transesterificação em meio básico é a forma mais simples e barata (portanto atraente economicamente falando) de produção de biodiesel (KHOTHE et al, 2006) a qual foi escolhida para a avaliação econômica que este trabalho tem por finalidade estudar.

Fontes de obtenção de óleo residual          

Para obtenção do óleo residual, avaliou-se as potenciais fontes produtoras de óleo residual. A Figura 2, cita os principais tipos de resíduos gordurosos, sua disponibilidade e qualidade para seu uso como combustível alternativo, biodiesel.

Figura 2: Principais tipos de resíduos gordurosos e sua disponibilidade/qualidade. Fonte: ALMEIDA et al, 2000.

Ao avaliar a Figura 2, nos atemos aos óleos residuais provenientes de origem comercial, residencial e industrial (este último, mesmo tendo um custo desfavorável, tem-se um volume muito favorável além de um bom preparo e qualidade desejáveis).

Caracterização do processamento

Para estudo de avaliação econômica levou-se em consideração, em primeira instância, qual a quantidade que pretende-se produzir. Sendo assim, estimou-se uma produção anual de aproximadamente 300.000 Kg/ano de biodiesel, caracterizando assim, uma produção em média escala. Como a relação de biodiesel produzido e óleo residual utilizado é de quase 1:1 (taxa de conversão variando entre 92% e 95% a depender da técnica utilizada), estimamos uma coleta de 300.000 Kg de óleo residual por ano das fontes previamente selecionadas anteriormente, de forma que o custo por Kg do óleo coletado estaria em torno de R$ 0,50, podendo ser menor ainda quanto maior for a contribuição voluntária das devidas fontes. O hidróxido de sódio e o metanol foram atribuídos preços de R$ 0,90/kg e R$0,78/Kg respectivamente (ENCARNAÇÃO, 2008). Segundo recomendações oriundas de experimentos realizados por Brondani et al, deverá ser utilizado Metanol (99,85% de pureza) à 13% em massa de óleo e o NaOH à 0,8% de massa de óleo. Assim sendo, tem-se abaixo o Quadro 1 que demonstra as quantidades e preços de totais anuais de cada insumo a ser utilizado na reação.

Quadro 1 – Custo anual de material de insumo. Fonte: Autor, 2017.

Segundo o Boletim dos Biocombustíveis nº 107 Jan/Fev de 2017, o preço médio do biodiesel no produtor foi de R$ 2,86. Assim sendo, estimamos como preço de revenda R$ 2,85 do biodiesel aqui produzido. Segundo o Centro de Referência da Cadeia de Produção de Biocombustíveis para a Agricultura Familiar, o preço da glicerina bruta, o qual consiste em um subproduto da produção de biodiesel é de R$ 400,00/ton. Sendo este adotada para efeito de cálculo da receita anual que irá compor a avaliação econômica. Assim sendo, estimando-se uma eficiência de produção de 95% para produção de biodiesel e 15% para produção de glicerina, temos a formação do Quadro 2 que trata das receitas anuais.

Quadro 2: Produção e receitas anuais. Fonte: Autor, 2017.

O valor para uma planta de produção de 300 ton/ano de biodiesel por transesterificação foi estimada em pouco mais de R$ 175.000,00 incluindo a planta de pré-tratamento, fábrica, laboratório, equipamentos de incêndio e tancagem (Quadro 3). Esta estimativa foi feita utilizando-se tabelas do trabalho feito por Encarnação, 2008.

Quadro 3 – Custo de implantação.Fonte: Autor, 2017.

Para o bom funcionamento do empreendimento, foi avaliado a necessidade de contratação de pelo menos 14 funcionários, além da contratação de serviços terceirizados como segurança administrativa, segurança eletrônica, limpeza, seguro e transporte (este último destinado a coleta do óleo residual nas mais diversas instituições avaliadas).

Avaliação Econômica

A avaliação de um projeto, segundo Betteon (2009) consiste em identificar, quantificar, dar valor aos benefícios e custos atribuíveis à sua execução ao longo de toda sua vida. O conjunto de benefícios líquidos distribuídos no tempo conforme o fluxo a partir do qual se calculam a maioria dos indicadores de rentabilidade que, por sua vez, ajudam a decidir se convém ou não executar o projeto.

Por considerar explicitamente o valor do dinheiro no tempo, o valor presente líquido (VPL), Figura 3, é considerado uma técnica sofisticada para a análise de investimentos. Este tipo de técnica, de uma forma ou de outra, desconta os fluxos de caixa de uma empresa a uma taxa especificada. Essa taxa, frequentemente chamada de taxa de desconto (i), custo de oportunidade de capital ou custo de capital (GITMAN, 2002).

Figura 3: Conceito de VPL. Fonte: OLIVEIRA, 2008.

O cálculo do VPL é descrito pela seguinte equação:equação

Onde:

• : Fluxo de caixa verificado no momento zero (momento inicial), podendo ser um investimento, empréstimo ou financiamento;
• : Representa o valor de entrada (ou saída) de caixa prevista para cada intervalo de tempo;
• : É a taxa de desconto;
• : Período de tempo.

O valor numérico do VPL pode dar positivo, negativo ou nulo. A depender desses valores, temos:

Se VPL > 0 aceita-se o projeto;

Se VPL < 0 rejeita-se o projeto;

Se VPL = 0 é indiferente investir ou não nesse projeto.

Taxa Interna de Retorno (TIR): É a taxa de desconto para a qual o valor presente das receitas torna-se igual ao valor presente dos desembolsos (OLIVEIRA, 2008). Matematicamente, o valor da TIR pode ser obtido igualando-se o VPL a zero.

Payback: Consiste em mostrar quanto tempo um investimento leva para ser ressarcido, porém a taxa de desconto é ignorada. Já o Payback Descontado atua justamente nessa falha, pois considera uma taxa de juros para realizar o cálculo do período gasto.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Análise de viabilidade econômica

 Para a análise de viabilidade econômica relativa ao investimento foi considerado um período de 5 anos e a instalação de uma indústria produtora de 285.000 Kg/ano de biodiesel e 45.000 Kg/ano de glicerina, Quadro 4.

Foi considerado um possível financiamento de R$ 201.802,80, pelo Banco Nacional do Desenvolvimento (BNDS), a taxa de juros de 5% ao ano.

Quadro 4 – Custo para implementação da indústria. Fonte: Autor, 2017

Como pode ser verificado no Quadro 5, os gastos totais anuais da empresa com salários de colaboradores, terceirizados, impostos, custos operacionais, matérias-primas, encargos obrigatórios e não obrigatórios, contabilizam R$ 897.448,97.

Quadro 5 – Custo totais anuais. Fonte: Autor, 2017.

O faturamento anual com a venda do biodiesel e da glicerina girará em torno de R$ 952.070,69 (Quadro 2).

Foram calculados o VPL, a TIR e os Paybacks simples e o descontado. Para o VPL foi somado os valores do fluxo de caixa ao investimento inicial, utilizando para descontar do fluxo uma taxa mínima de atratividade (CASAROTTO e KOPITTKE, 2000).

O VPL calculado é maior que zero o que torna o investimento viável, com um Payback simples de 3,86 anos e descontado de 4,38 anos, Quadro 6.

Quadro 6 – VPL, TIR, Payback. Fonte: Autor, 2017.

As projeções econômicas do projeto mostram viabilidade do mesmo, porém, segundo pesquisas de melhorias realizadas por MARTINS e CERVI (2012), o projeto pode torna-se mais viável com a utilização de materiais proveniente de sucata ou reciclagem para cosntrução da usina de transesterificação. O valor estimado para construção de uma usina com capacidade de produção de 320L diários ficaria em torno de R$23.000,00. A planta que foi analisada neste trabalho tem capacidade para produção de 833L diários, sendo assim, se a mesma planta fosse construída utilizando materiais de reciclagem e sucata, o investimento necessário seria em torno de 60.000 reais, 47% mais barata do que a que foi estudada.

CONCLUSÃO

Através dos resultados obtidos verificamos que a instalação e operação da Empresa Óleo do Bem, apresenta-se como uma proposta economicamente viável com o tempo de retorno pequeno de aproximadamente 4 anos e 4 meses. Além de ambientalmente positivo pois trata-se de um processo sustentável onde será retirado de circulação um resíduo altamente poluente, e em contrapartida, irá gerar produtos que agregados irão colaborar com a redução de emissão dos gases do efeito estufa.

REFERÊNCIAS 

ALMEIDA, J. A. N.; NASCIMENTO, J. C.; SAMPAIO, L.A. G., CHIAPETTI, J., GRAMACHO R. S., C., N. S. e ROCHA,V. A., Projeto Bio- _Combustível: processamento de óleos e gorduras vegetais in natura e residuais em combustível tipo diesel, Universidade Estadual de Santa Cruz- UESC , Ilhéus-BA. 2000.

APROBIO – Associação dos produtores de Biodiesel do Brasil. Disponível em < www.aprobio.com.br/2017/01/10/brasil-recicla-30-milhoes-de-litros-de-cozinha-na-producao-de-biodiesel >. Acesso em 27 jun. 2017.

BOTTEON, Cláudia; INTRODUÇÃO À AVALIAÇÃO DE PROJETOS; Apostila; Brasília; 2009.

BRONDANI, Michel; BAIOTTO, Alexandre; KLEINERT, Jonas; TRINDADE, Jacson; PAPIS, Felipe; HOFFMANN, Ronaldo; BALANÇO DE MASSA DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE BIODIESEL VISANDO A RECUPERAÇÃO DO METANOL RESIDUAL; Simpósio Estadual de Agroenergia – IV Reunião Técnica de Agroenergia – RS;  2014.

CASAROTTO FILHO, N.; KOPITTKE, B. H. Análise de investimento. 9ed. São Paulo: Atlas, 2000.

COSTA, N.; P. R.; ROSSI, L.F.S. Produção de biocombustível alternativo ao óleo diesel através da transesterificação de óleo de soja usado em frituras. In: Revista Química Nova, Curitiba – PR,n.23,  ano IV, p.531. 2000.

DABDOUB, M.J., Biodiesel em casa e nas Escolas: Programa coleta de óleos de fritura, 2006.

DIB, F.H., Produção de biodiesel a partir de óleo residual reciclado e realização de testes comparativos com outros tipos de biodiesel e proporções de mistura em um moto-gerador / Fernando Henrique Dib. — Ilha Solteira: [s.n.], 2010.

ENCARNAÇÃO, Ana Paula Gama; GERAÇÃO DE BIODIESEL PELOS PROCESSOS DE TRANSESTERIFICAÇÃO E HIDROESTERIFICAÇÃO, UMA AVALIAÇÃO ECONÔMICA; Universidade Federal do Rio de Janeiro; Dissertação de mestrado; 2008.

FERRARI, R. A.; OLIVEIRA, V. S.; SCABIO, A., Biodiesel de soja – Taxa de conversão em Ésteres Etílicos, Caracterização Físico-Química e Consumo em Gerador de Energia. Química Nova, 28(1), p.19-23, 2005.

FREEDMAN, B.; BUTTERFIELD, R. O.; PRYDE, E. H. Transesterification kinetics of soybean oil. Journal of American Oil Chemits’ Society, v.63, n. 10 p.13751380, 1986.

GITMAN, L. J. Princípios de Administração Financeira.  8ª edição. São Paulo: Harbra, 2002.

GUPTA, R. B.; DEMIRBAS, A. Gasoline, Diesel and Ethanol Biofuls from Grasses

and Plants. Cambridge University Press, New York, USA, 2010. 230 p.

Indicadores de Preços Médios – Glicerina Bruta. Disponível em: http://biomercado.com.br/indicadoresPorProduto.php?produto=56 Acessado em: 15/06/2017.

KNOTHE, G.; GERPEN, J. V.; KRAHL, J.; RAMOS, L. P., Manual do Biodiesel. São Paulo: Blücher, 2006.

Ministério de Minas e Energia; Secretaria de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis; Departamento de Biocombustíveis; BOLETIM DOS BIOCOMBUSTÍVEIS; Edição nº 107, Jan/Fev 2017.

MURPHY, M. J.; KETOLA, H. N. & RAJ, P. K. Summary and assessment of the safety, health, environmental and system risks of alternatives fuels. Helena: U. S. Department of Transportation Federal Transit Administration, 1995. 28 p.

NETO, P.R C.; ROSSI, L.F.S.; ZAGONEL, G.F.; RAMOS, L.P., Produção de biocombustível alternativo ao óleo diesel através da transesterificação de óleo de soja usado em frituras. Química Nova, 23(4), p. 531-537, 2000.

OLIVEIRA, Mário Henrique da Fonseca; A AVALIAÇÃO ECONÔMICO-FINANCEIRA DE INVESTIMENTOS SOB CONDIÇÃO DE INCERTEZA: UMA COMPARAÇÃO ENTRE O MÉTODO DE MONTE CARLO E O VPL FUZZY; Dissertação; Universidade de São Paulo; São Carlos; 2008.

^[1] Possui graduação em Engenharia Civil pelo Centro Universitário CESMAC (2005) e graduação em Engenharia de Produção pelo Centro Universitário CESMAC (2004)

^[2] Possui graduação em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Pernambuco (2015). Atualmente é professor efetivo do Instituto Federal de Alagoas.

^[3] Graduada em Engenharia Ambiental e Sanitária pela Universidade Federal de Alagoas, 2016

^[4] Possui graduação em Engenharia Química pela Univerdidade Federal de Alagoas (2013). Especialização em Engenharia de Segurança do Trabalho pela Faculdade de Tecnologia de Alagoas (2013).

^[5] Possui graduação em Engenharia de Produção pelo Centro Universitário CESMAC (2006). Pós-Graduada em Engenharia Ambiental (2009) e Gestão Ambiental (2009).

O papel dos biodigestores na agropecuária sustentável

 

Texto escrito por Mariana Zanarotti Shimako, aluna de graduação de Engenharia de Biossistemas em FZEA-USP, orientada pelo Prof. Dr. Fabrício Rossi no Programa Unificado de Bolsas da USP.

Com o crescimento da demanda de alimentos e matérias primas advindas do campo, cresce consequentemente a quantidade de dejetos e resíduos que, quando não depositados adequadamente se tornam protagonistas de problemas de ordem sanitária e ambiental.

Atualmente, uma das soluções adequadas para sanar tais problemas são as instalações de biodigestores nas áreas rurais, como fazendas e empresas ligadas à agropecuária. Esses biodigestores, além de reduzirem os impactos ambientais gerados pelas atividades agropecuárias também ajudam na diminuição da emissão de gás metano (gás estufa) e; geram energia limpa para os locais no qual estão instalados, reduzindo o custo na cadeia da atividade.

Um biodigestor pode ser feito em casa, por ser de simples complexidade e de baixo custo, em torno de 300 e 500 reais. Consiste em um local escuro para o armazenamento dos dejetos dos animais ou os resíduos ogânicos, como restos de alimentos; esses assim que são decompostos por bactérias pelo processo de fermentação anaeróbica em temperaturas de em torno de 35º C, são retirados para serem usados como adubo. Durante esse processo que pode demorar dias ou até meses, ocorre a liberação de gases, esses são encaminhados até uma câmara de acúmulo de gás, esse biogás será um substituto do GLP (gás liquefeito de petróleo) no uso em fogões e também como gerador de energia elétrica.

Existem 2 tipos de produção com biodigestores, a produção contínua e descontínua, a diferença entre elas é que na descontínua os dejetos são armazenados no biodigestor fechado e após o adubo ser retirado e o biogás ser armazenado, ele é reaberto para reposição de dejetos e na produção contínua enquanto o adubo é retirado está ocorrendo a reposição dos dejetos ao mesmo tempo.

Pode ser construída uma pequena usina ao lado do biodigestor, na qual o biogás é a fonte de energia para seu funcionamento, a energia gerada nelas será distribuída no local. As fazendas que adotam esse sistema normalmente são auto suficientes e ainda vendem o excesso de energia às concessionárias, sendo assim além de reduzirem os custos, o agricultor pode aumentar sua renda com essa venda. A energia gerada por essas pequenas usinas são usadas até para recarregar as baterias de carros elétricos.

Sistema completo de biodigestão e o destino dos produtos. <https://www.ecycle.com.br/component/content/article/63-meio-ambiente/4218-biodigestores-funcionamento-auxiliar-sustentabilidade-atividade-rural-agricultura-pecuaria-decomposicao-anaerobica-residuos-dejetos-animais-geracao-biogas-biofertilizante.html>

Sendo assim, o biodigestor aproveita os dejetos e resíduos que poderiam vir à trazer problemas no ambiente, transformando-os em adubo de qualidade, energia limpa e fonte de renda.

Bibliografia –

https://cleanbiogas.wordpress.com/2018/07/24/biogas-paginas-weblinks-de-tecnologia-globalizados/

https://globoplay.globo.com/v/6378386/

http://biodigestao-engenharia-ambiental.blogspot.com.br/2009/03/o-biogas-pode-ser-usado-como.html?m=1

http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/agroenergia/arvore/CONT000fj06suh302wyiv802hvm3jbc32qh9.html

http://g1.globo.com/economia/agronegocios/noticia/2011/09/conheca-o-confinamento-de-tarcisio-meira-adaptado-com-o-biodigestor.html

 http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?pid=MSC0000000022002000200043&script=sci_arttext

Lincoln C. Teixeira^I; Ralph O. H. Rosenstiel^II

^IPesquisador da Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais - CETEC, Setor de Biotecnologia e Tecnologia Química; Av. José Cândido da Silveira, 2000; CEP 31170-000; Belo Horizonte; MG;Tel.: (031) 3489-2231; Fax: (031) 3489-2200; e-mail: lct@cetec.br 
^IIConsultor em área agrícola e industrial; R. Uruguay, 555 E; CEP 40800-000; Salvador; BA;Tel.: (075)9156-6333; e-mail: olafrosestiel@bol.com.br

RESUMO

Bagaço de cana de açúcar tem sido utilizado como combustível sólido para produção de vapor e energia elétrica. Os processos de queima direta ou indireta de biomassa são geradores de substâncias cancerígenas para o meio-ambiente. Combustíveis líquidos e biogás queimam completamente e isso faz com que os sistemas de bioconversão sejam mais atrativos. 
Baseado nestes fatos, temos desenvolvido um processo onde o bagaço é primeiramente tratado com vapor, a elevadas temperaturas e pressões, para a remoção de pentoses. Em torno de 80% do total do conteúdo hemicelulósico é facilmente removido e convertido em etanol através de fermentação com leveduras. Uma tonelada de biomassa seca gera aproximadamente 150 L de etanol (94%). O resíduo sólido obtido, fração celulose-lignina, é misturada com o vinhoto para a produção de biogás. O pré-tratamento é muito importante para o aumento do rendimento de biogás e da relação CH₄/CO_2. Ao final do processo, obtêm-se um fertilizante neutro e seguro, de rápida absorção, que pode ser retornado para o campo sem o mau cheiro característico da vinhaça em decomposição. A fração orgânica de lixo urbano também pode ser usada como matéria-prima alimentador do processo com redução do tempo de compostagem e produção adicional de álcool. 
O processo descrito satisfaz as diretrizes internacionais para o desenvolvimento sustentável baseado no uso de tecnologias limpas.

Palavras chaves: Biomassa, fermentação, etanol, biogás, fertilizante.

ABSTRACT

Sugar cane bagasse (SCB) is currently been used as a solid fuel, despite carcinogenic emissions and risk for the environment. Liquid fuels and biogas burn completely that makes bioconversion systems more attractive for the environment. 
Based on these facts, we have developed a process where bagasse is firstly treated with steam at high temperature e pressure for pentoses removal. Around 80% of total hemicellulose might be easily removed and converted to ethanol by yeast fermentation. One metric ton of dried biomass might generate approximately 150 L of ethanol (94%). In order to complete the process, the residual cellulose-lignin solid fraction is mixed with vinasses for biogas production. The pre-treatment is very beneficial for increasing biogas yield and CH₄/CO₂ ratio. In addition, at the end of the process, we obtain a neutral and safe fertilizer, of very fast absorption, that could be send back to the crops without bad smelling characteristic of crude vinasses in decomposition. Municipal solid waste (MSW) might be used as well shortening time of composting with additional liquid fuel production. 
The proposed approach satisfies the international guidelines for a sustainable development by using cleanest technologies.

INTRODUÇÃO

Diversos tipos de resíduos lignocelulósicos são gerados por processos industriais, exploração agrícola e pela população das áreas urbanas; sendo os resíduos florestais, bagaço de cana de açúcar e parte da fração do lixo, a orgânica, os mais representativos. Em torno de 200 milhões de toneladas de bagaço de cana foram geradas no mundo em 1995, desse total 95% foi utilizado como combustível sólido nas usinas (Hall e Rosillo-Calle, 1998).

Biomassa tem sido utilizada geralmente como combustível sólido em sistemas do tipo "Steam-Rankine Cycle" ou em novos processos denominados "Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC)" (DeLaquil, 2000; ,Herzog et alli, 2001). Embora considerados processos de simples operacionalidade, o primeiro apresenta baixa eficiência em conversão energética (Herzog et alli, 2001) e o segundo, a biomassa deve ser seca e classificada antes da sua gaseificação (Brammer e Brigwater, 1999). Em adição, as emissões de compostos cancerígenos tem sido um importante assunto sinalizado por especialistas (Alfheim e Ramdahl, 1986). O lixo urbano usualmente é também queimado, colocado em aterros ou usado em processos de compostagem.

Digestão anaeróbica tem sido tradicionalmente utilizado na China e India (Hall e Rosillo-Calle, 1998). Esta tecnologia tem sido muito aplicada em vários projetos e plantas industriais em plena execução na Europa (Spiegeleer, 1999; Thyselius, 1999; Zantem, 1999; Anônimo, 1997, 1999, 2000a, 2000b e 2001a) . A co-digestão de resíduos domésticos, esterco e de resíduos de destilarias tem sido praticado industrialmente na Suécia (Anônimo, 2000c). Uma planta combinada para geração de vapor e energia teve seu início também na Suécia em 1993, usando 30.000 t/ano de esterco e 5.000 t/ano de resíduo orgânico de indústria como substratos. Desde então, a planta industrial tem permitido a produção de 3000-4.000 m³/dia de biogás, produzindo 450 kW de eletricidade e 650 kW em calor (Anônimo, 2000d).

Nosso processo foi concebido para uma produção sustentável. É mais apropriado que sistemas convencionais de queima de biomassa e satisfaz todos os requerimentos para a qualidade do ar, recompõem o solo com um fertilizante natural e gera duas fontes de combustíveis renováveis: biogás e etanol. Diferentes tipos de resíduos orgânicos como o lixo podem ser usados com substrato. do processo diminuindo o tempo de biodigestão e compostagem com produção adicional de combustível líquido.

DESCRIÇÃO DO PROCESSO

Resultados preliminares

A biodisgestão de vinhaça tem usualmente apresentado vários problemas e o bagaço de cana tem sido muito útil aumentando o conteúdo em sólidos e consequentemente o rendimento do gás produzido. Um disgestor de 20 L de dois estágios foi alimentado com 15 kg de uma lama preparada com bagaço de cana e vinhoto (10-11% de sólidos totais) e pré-digerida por um período de 72 horas, e este substrato convertido em biogás após a correção do pH. O digestor de dois estágios tem sido muito eficiente permitindo o crescimento de bactérias acidogênicas (2-3 dias) e metanogênicas (21-28 dias) em fases distintas. Em torno de 50% dos sólidos originais foram convertidos em biogás. Foi verificado um rendimento de 0,55 m³ biogás/kg biomassa seca. A concentração de metano, medida através de cromatografia gasosa, foi de 65%. Os resultados preliminares foram satisfatórios considerando a pequena escala, para grandes digestores são esperados maiores rendimentos. Rendimentos são diretamente proporcionais ao volume dos biodigestores (Anônimo, 2001a).

Tecnologia proposta

Objetivando agregar valor ao processo e aumentar a relação CH₄/CO_{2 ,} temos desenvolvido um pré-tratamento a ser aplicado na biomassa lignocelulósica antes de sua digestão, aproximadamente 80% do total da hemicelulose pode ser removida facilmente da biomassa através de explosão com vapor (Mello Junior et alli, 1989; Carlos et alli, 1999) e os açúcares resultantes, pentoses, podem gerar aproximadamente 150 litros de etanol (94%) por tonelada de biomassa seca. Plantas comerciais para a produção de bioetanol têm incluido em suas instalações o fracionamento da hemicelulose como primeira etapa antes da hidrólise da celulose (Anônimo, 2001b). A Fig. 1mostra o fluxograma simplificado e o respectivo balanço de massa do processo proposto.

Em Hamar, na Noruega, a hidrólise térmica é aplicada em esgoto doméstico para maximizar a produção de biogás (Anônimo 2000e). A qualidade do biogás produzido pelo nosso processo, que pode ser melhorado para 70% de metano em função da exposição da celulose aos microorganismos é usado para gerar vapor para a recuperação do álcool e produção de eletricidade para uso local e comercialização do excedente. De acordo com a literatura, 145.000 m³ de biogás (65% metano) pode gerar 65 kW_elétrico "co-gen" ou para 200 kW "boiler" com vapor saturado a 140 °C. Vapor oferece muita flexibilidade para o suprimento térmico em destilarias (Behmel, 1998).

Completando o ciclo, a lama residual, contendo em torno de 0,5% de micronutrientes (P, K, Ca, Mg, Na, S, etc.), 3.8% de carbono and 0.3 % de nitrogênio com macronutrientes, após a remoção de metais pesados, pode ser retornado ao campo como um fertilizantes neutro de rápida absorção e sem o mau cheiro característico de vinhaça em decomposição.

Finalmente, diferente tipos de resíduos sólidos tais como o lixo orgânico podem ser utilizados como substratos diminuindo o tempo de compostagem com produção adicional de combustível líquido. Uma planta que utiliza lixo orgânico correntemente em operação no Canadá, baseada no processo denominado BTA, realiza a hidrólise antes da biodigestão diminuindo o tempo de biodigestão e compostagem (Anônimo, 2000f). A adaptação necessária para a compostagem anaeróbica da fração celulose-lignina é a instalação de digestores cilíndricos-horizontais construidos para movimentos rotacionais e recuperação de biogás.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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[14] Anônimo; Co-disgestion of manure with industrial and household waste; Technical Brochure No. 118. CADDET Centre for Renewable Energy, Oxfordshire, UK.; 2000c.

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[21] Anonymous; New MSW anaerobic digestion facility operating in Canada; Bioenergy Update, vol. 2, n. 12, Published by General Bioenergy, Inc., Florence, Alabama, USA; 2000f.

Oils are organic molecule of carbon, hydrogen, oxygen and sometimes nitrogen and sulfur. It is composed of long chain fatty acids and esters (glyceride ester) as well as derivative of glycerine, long chain fatty alcohol, sulfate and sulfonates. Oils like caster oil, linseed oil are non edible and oils like ground nut oil, coconut oil are edible .

Oil is used in producing vanaspati ghee, soaps and detergents, cosmetics, medicines, polymers, paints and varnishes and in many other applications.

31a.2 Vegetable oil extraction

Raw material : Seeds of oilseed plant

Process flow sheet: Illustrated in Figure

Figure .1 Flow sheet of vegetable oil extraction

_________________________________________________________________________________________________

a.3 Functional role of various processes (Figure 31.1) :

(a)  Cleaner and dehulling:

• Dehulling remove hulls, dry outer covering of seed.

(b)  Cracking rolls:

• • Crushing rolls crush the oil seeds and gets flacked seeds.

(c)  Digester:

• Softening by means of heat and moisture is done here.

• Steam is added for heating purpose.

• Acid is formed by hydrolysis of ester.

• The seeds get swollen up.

(d)  Expeller:

• Cells of seeds get ruptured and oil is released.

• The tapering shape ensures more application of pressure on the seeds.

• The oil depleted cake is either sent for solvent extraction or used as animal feed.

• Oil is sent for purification. 

(e)  Mix tank:

• It also removes heavy metals, which can start oxidation of oil.

(f) Centrifuge:

• These separated acids are used as foots for soap manufacturing.

(g)  Rotary filter:

• Rotary drum filter is used for removal of seed particles which may be present.

• This finished oil is produced.

• From this process around 1-2% oil content remains in the meal.

(h)  Extractor:

• Oil depleted cake is also added in extractor.

• The solvent extracts oil from the seeds.

• The wet meal (the left seed part) is collected in the middle and is sent for solvent removal.

(i)  Solvent removal:

• The rotating blades ensure better exposure to steam.

• The solvent free meal is sent to dryer and then used as animal feed.

• Solvent is collected from top and is recycled after cooling it in heat exchanger.

(j) Flash film evaporator:

• Oil is concentrated here by evaporating the more volatile component (hexane).

• The hexane is recycled back to extractor after heat recovery.

• The use of flash evaporator reduces the cost of vacuum stripping column.

(k)  Vacuum stripping column:

• The stripping is done by steam i.e. steam carries away the hexane.

• And it is under vacuum for the reason that the boiling point of hexane and oil are close to each other.

• Jet ejector is used here to generate vacuum.

• The hexane is recycled again.

• Oil produced here is either directly used or sent for purification.

b.1 Hydrogenation of oil

Hydrogenation process is used to remove double bonds and to make fats and oil saturated. Hydrogenation also raises its melting point and improves its resistance to rancid oxidation. The most common end product of hydrogenation is Vanaspati ghee. Other products include vegetable ghee, hardened industrial oils and partially hydrogenated liquid oil.

Chemical Reactions: (* indicates activated catalytic state)

....................................Ni* catalyst

This produces a finely divided catalyst which is preferred for well-stirred hydrogenation reactors.

(c) Nickel catalyst preparation (reduced Ni on inert catalyst support)

Nickel salts are precipitated on inert porous carrier such as kieselguhr or diatomaceous earth and reduced at high temperature in a hydrogen atmosphere.

(d) Nickel catalyst preparation

Produces spongy, high-surface area catalyst when the sodium aluminate is washed with water.

Raw material : Oils which is to be saturated and pure hydrogen.

Process flow sheet: Illustrated in Figure. 

Figure 31.2 Flow sheet of hydrogenation of vegetable oils

31b.2 Functional role of main units (Figure 31.2):

(a)  Hydrogenator:

• Hydrogen, and steam is introduced in it.

• The catalyst oil slurry of concentration 5 to 15 kg per ton of oil is also put.

• The reaction is slightly exothermic so steam is sometimes turned off.

(b)  Deodorizer:

• It operates in continuous basis.

(c) Finishing

• It is then filtered, mixed with some vitamins.

• Now the finished oil is sent for packaging and storage.

b.3 Technical Questions

1. Discuss the detailed process related to the gas liquid hydrogenation reaction ?

Ans: For gas liquid reaction in hydrogenation

A series of rate process and 8 kinetic reaction exist as shown in fig below:

2.  What is Rancidity ?

Ans: The moisture and oxygen cause deterioration of fats. The combine action of both moisture and oxygen causes rancidity which is characterised by bad smell, development of red colour, increase in acidity and increase in viscosity. During frying, cooking, baking etc, oil undergo hydrolytic and polymerization reaction. These reactions are undesirable in edible oils. Prolonged exposure to air yield undesirable resinous products causing rancidity.

3.  What is winterising ?

Ans: When oils are cooled slowly to a lower temperature, then less soluble glycerides rich in fatty acid crystallizes out. These crystals can be separated by centrifuge or by filter. This separation of solid fats by chilling is called winterising.

4.  What is saponification value ?

Ans: Alkaline hydrolysis of fats and oils is known as saponification. This forms the basis of soap making.

Saponification value indicates the average molecular weight of a fat or oil. This may also be defined as number of mg of caustic potash required to neutralize the fatty acid obtained by complete hydrolysis of 1gm of oil or fats.

5.  What is acid value ?

Ans: It indicates the proportion of free fatty acid present in oil or fats. Acid value is defined as number of mg of caustic potash required to neutralize the acid in 1gm of the sample. Generally acid value for most of samples lies within 0.5.

6.  What is Iodine value ?

Ans: Iodine value is a measure of extent of unsaturated fatty acid present in fats. It is defined as number of grams of iodine that combines with 100gms of oil and fats.

The iodine value of non-drying oil is less than 90, of semi-dryng oil is between 90 to 140.

References:

1. Dryden C. E., Outlines of Chemical Technology, East-West Press, 2008

2. Shreve R. N. ,   Austin G. T., Shreve's Chemical process industries, McGraw – Hill, 1984

O etanol é um líquido incolor e volátil, inflamável, claro. O etanol é um bom convívio. Também é usado como germicida, bebida, anticongelante, combustível, depressor e intermediário químico.Pode ser feita pelo processo de fermentação de material que contém açúcar ou do composto que pode ser convertido em açúcar. A enzima de fermento facilmente fermenta sacarose para etanol. 
Fórmula molecular -C2H5OH 
Peso molecular- 46,07 
Densidade - 0,791 a 20 ° C 
Ponto de ebulição - 78,3 ° C

Reações químicas:

(a) Reação principal 

zimase 
C ₆ H ₁₂ O ₆ → 2C ₂ H ₅ OH + 2CO ₂ ΔH = -31,2 kcal 
Etanol de glicose

(b) Reação lateral

2 C ₆ H ₁₂ O ₆ + H ₂ O → ROH + R'CHO 
Óleo de Fusel

O etanol é matéria-prima para muitas indústrias químicas orgânicas a jusante na Índia. 
Matéria-prima: Melaço

29.2. Função funcional de várias unidades

A sacarose é um dissacárido que ocorre naturalmente na maioria das frutas e vegetais. 
O açúcar ocorre em maiores quantidades na cana-de-açúcar e na beterraba açucareira a partir da qual o açúcar é separado economicamente e comercialmente. 
Fórmula química - c ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ 
Peso molecular - 342 
Densidade = 1,58 kg / m ³ 
A sacarose é solúvel em água, mas ligeiramente solúvel em álcool metílico e álcool etílico. 
Folha de fluxo do processo: ilustrada na figura.

Figura 28.1 Folha de fluxo de fabricação de açúcar da cana-de-açúcar

Matéria-prima: cana-de-açúcar

28.2 Função funcional de vários processos (Figura 28.1)

(a) Cortador

• As facas cortaram os bastões em pequenos pedaços.

(b) Triturador

• Consiste em dois rolos que rodam na direção oposta.

(c) Moinhos de série de pressão

• Cada moinho de pressão é composto de rolos de ferro fundido.

• Os rolos são ranhurados e a largura diminui do primeiro rolo para o último.

• A água de maquiagem adicionada no terceiro e quarto moinho é reciclada de volta às duas primeiras fábricas.

• Cerca de 85-90% de suco presente na cana é extraído.

• Bagasses são produzidos como subproduto.

(d) Clarificador

• O suco agora chega a espessar.

• Para precipitar os colóides, adiciona-se fosfato de cálcio (CaHPO4) seguido de leite de lima.

• O leite de limão usado tem 9 a 10% de força e cerca de 400mg de alcalinidade CaO / litro.

• Além de manter p ^H aproximadamente 7, o gás SO ₂ também atua como agente de branqueamento.

• O ácido fosfórico ou o CO ₂ também podem ser substituídos como agente acidificante dependendo do tipo de suco extraído.

• No fundo do clarificador, a lama (impurezas) é instalada e drenada.

• O vapor é usado para aquecer ligeiramente o suco.

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Atul Gawande em O Manifesto Checklist

 

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