Encontro de Energia no Meio Rural - Processo inovado para conversão de biomassa lignocelulósica em álcool, biogás e fertilizante natural

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An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

Processo inovado para conversão de biomassa lignocelulósica em álcool, biogás e fertilizante natural

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. 1 mostra 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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