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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Bioetanol a partir de resíduos
agro-florestais
Projeto FEUP 2016/2017 – Mestrado Integrado em Engenharia Química
Equipa Turma 4, Grupo 2
Supervisora: Eugénia Macedo Monitora: Joana Silva
Estudantes & Autores:
André Pacheco [email protected] Joana Silva [email protected]
Diana [email protected] Ricardo [email protected]
Inês Coutinho [email protected] Sara Silva [email protected]
Resumo
A produção de bioetanol é uma alternativa ecológica à enorme quantidade de
combustíveis fósseis que é consumida no mundo e ao inevitável esgotamento das reservas
de petróleo, gás natural e carvão. Combustíveis fósseis esses que são, não só uma grande
fonte de poluentes, como também uma das razões pela qual a temperatura global tem vindo
a aumentar- devido aos gases com efeito estufa, produzidos pela queima de combustíveis
fósseis. A produção de bioetanol como biocombustível tem várias vantagens
socioeconómicas, contudo o seu método de produção pode suscitar dilemas éticos. Alguns
países começam a investir na produção de bioetanol surgindo novas empresas que se
especializam na produção de biocombustíveis, tratando e purificando a matéria prima desde
biomassa até bioetanol. O bioetanol é dividido em diferentes gerações consoante a
proveniência e o tipo de matéria-prima utilizada.
Palavras-Chave
Biocombustível; Biomassa; Álcool; Lenhocelulose; Bioetanol, Hidrólise, Fermentação,
Purificação; Resíduos Agro-florestais
i
Índice 1 Introdução ....................................................................................................................................... 1
1.1 Contextualização ..................................................................................................................... 1
1.2 Definição ................................................................................................................................. 1
2 Gerações de bioetanol .................................................................................................................... 2
2.1 Primeira geração ..................................................................................................................... 2
2.2 Segunda geração ..................................................................................................................... 2
2.3 Terceira geração...................................................................................................................... 3
3 Ética e os Biocombustíveis .............................................................................................................. 3
4 Composição dos resíduos lenhocelulósicos .................................................................................... 4
5 Processo de produção de bioetanol ............................................................................................... 4
5.1 Pré-tratamento ....................................................................................................................... 4
5.2 Hidrólise .................................................................................................................................. 5
5.3 Fermentação ........................................................................................................................... 5
5.4 Purificação ............................................................................................................................... 5
6 Implementação a nível industrial.................................................................................................... 6
6.1 Industrialização Mundial ......................................................................................................... 6
6.2 Industrialização na Europa e Portugal .................................................................................... 9
7 Conclusão ...................................................................................................................................... 11
8 Referências bibliográficas ............................................................................................................. 12
ii
Lista de Figuras
Figura 1: Perspetivas da produção de biocombustíveis
Figura 2: Produção de biocombustíveis na União Europeia
Figura 3: Produção de biocombustíveis em Portugal
Lista de Tabelas
Tabela 1: Balanço energético e as respetivas emissões de dióxido de carbono de alguns
combustíveis.
Tabela 2: Produção mundial de bioetanol em biliões de litros
Tabela 3: Produção e consumo do milho a nível mundial entre 2009 e 2012
1
1 Introdução
1.1 Contextualização
Atualmente a energia mais utilizada a nível mundial é a energia proveniente dos
combustíveis fósseis, cerca de 80%. Sendo estas energias não renováveis, as suas reservas
apresentam, no presente, uma curta duração: 50 anos para o petróleo, 60 anos para o gás
natural e 120 anos para o carvão. Para além desta desvantagem, a combustão destes
combustíveis liberta grandes quantidades de dióxido de carbono (CO2) para a atmosfera, o
que irá promover a intensificação do efeito de estufa e as consequentes alterações climáticas.
Perante as desvantagens dos combustíveis fósseis, foi implementado o uso de
energias alternativas.
Uma das alternativas é o uso da energia nuclear, mas a sua produção leva à formação
de resíduos nucleares perigosos, o que prejudica gravemente o ambiente.
O aumento da procura mundial de energia primária e a preocupação acerca dos custos
e do impacto negativo no ambiente do uso das energias acima referidas, levaram à
investigação de novas fontes de energia renovável como os biocombustíveis.
A utilização destas energias apresenta várias vantagens como a diminuição da emissão
de CO2 e o facto de serem inesgotáveis em comparação com os combustíveis fósseis.
Apesar das vantagens referidas, possuem também algumas desvantagens, como o
preço elevado do equipamento utilizado para as produzir e provocam impactos visuais
negativos no meio ambiente.
1.2 Definição
Com a procura de várias alternativas aos combustíveis fósseis surgem os
biocombustíveis, sendo um dos principais o bioetanol.
É um combustível líquido que resulta numa baixa emissão de compostos nocivos para
o ambiente (como monóxido de carbono, óxidos de azoto e dióxido de carbono) e é produzido
através da biomassa. Biomassa é qualquer tipo de matéria de origem vegetal que disponha
de bioenergia e que possa ser processada para fornecer energia utilizável.
O bioetanol é produzido a partir da fermentação de açúcares: no Brasil através da
cana-de-açúcar, ou amido e nos Estados Unidos da América através do milho.
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2 Gerações de bioetanol
Podemos distinguir o bioetanol em 3 gerações distintas que diferem entre si no tipo
de compostos que servem de base para a sua produção:
1ª geração: produzido a partir de matérias-primas vegetais provenientes da
agricultura (milho, cana de açúcar, arroz);
2ª geração: produzido a partir de resíduos vegetais (palha da cana de açúcar,
lenhocelulose);
3ª geração: produzido a partir de biomassa derivada de algas marinhas.
2.1 Primeira geração
O bioetanol de primeira geração é obtido a partir de fontes de açúcar como cana-de-açúcar, no Brasil, a beterraba doce e o trigo, na Europa, e plantações de amido como o milho, muito usado nos EUA. O bietanol, juntamente com o biodiesel, é também o biocombustível mais produzido a nível mundial.
Os biocombustíveis, incluindo o bioetanol, utilizam por volta de 4% dos solos agrícolas no mundo e entre 2% a 3% de água doce que é utilizada na produção de alimentos. Se estes recursos fossem utilizados na produção de alimentos, os solos férteis e a água que foram consumidos na produção da matéria-prima poderiam alimentar mais de 280 milhões de pessoas. (Eatglobe, 2016)
2.2 Segunda geração
O bioetanol de segunda geração é produzido a partir de resíduos, ou seja, produtos
sem caráter alimentar, como matérias lenhocelulósicas de resíduos agrícolas, florestais e
industriais. Estas matérias lenhocelulósicas podem ser a celulose que se encontra na parede
celular e é constituída por moléculas de glicose ou também a hemicelulose (polímero de
pentoses, hexoses e ácidos úronicos) e a lenhina que é formada por polímeros de
fenilpropano. A lenhina constitui a maior fração dos materiais lenhocelulósicos usados na
produção do bioetanol de segunda geração. (Quilhó, 2011)
As vantagens resultantes da utilização dos resíduos são consideráveis visto que, neste
processo há um melhor aproveitamento da planta e, portanto, um menor desperdício, há
também um maior rendimento energético visto que exige menos produtos químicos e um
menor gasto de energia para a sua produção, a mesma área de solo plantado é capaz de
produzir até 50% a mais de combustível, para além disto a disponibilidade destes resíduos é
elevada o que facilita o acesso aos mesmos.
O bioetanol produzido a partir da celulose é uma alternativa fundamental para países
que desejam elevar os níveis de produção de biocombustíveis sem que a área de terrenos
férteis ocupados seja aumentada.
3
2.3 Terceira geração
Os biocombustíveis de terceira geração são os obtidos através da biomassa de
microalgas. As microalgas são processadas e como têm uma grande capacidade de armazenar
hidratos de carbono conseguem ser utilizadas para a produção de bioetanol transformando
hidratos de carbono em etanol. É possível também aproveitar o amido e a celulose das algas
para produzir o biocombustível (Tomar, 2006). O facto de apresentarem uma elevada
conversão fotossintética e uma rápida proliferação são também parâmetros que permitem
que estas algas sejam muito úteis para a produção de bioetanol de terceira geração. (Magro,
Decesaro, Berticelli, & Colla, 2016)
3 Ética e os Biocombustíveis
Atualmente o bioetanol de primeira geração é o mais industrializado, visto que é de
baixo custo e tem uma maior produtividade. No entanto, com a utilização de resíduos para a
produção de biomassa, estes custos podem ser reduzidos e o crescimento pode ainda ser
aumentado. (Pacheco, 2011)
Existem também vários problemas associados a questões éticas no que diz respeito às
diferentes gerações. Relativamente ao bioetanol de 1ª geração, a matéria prima utilizada na
sua produção, poderia ser usada para consumo animal e humano. Para além disso, são
utilizados solos que se encontram férteis para plantações agrícolas, entrando assim em
competição com a indústria alimentar.
No entanto, estas questões podem ser resolvidas aumentando a produção de
bioetanol de segunda e terceira geração. Isto trará inúmeras vantagens tendo em conta que
a qualidade do combustível é equivalente e o custo de produção é 30% mais barato. As
consequências para o ambiente são também positivas uma vez que as emissões de dióxido
de carbono são menores, como se consegue observar na Tabela 1.
Tabela 1– Balanço energético (Ein-Energia que se consome; Eout-Energia que se produz) e as respetivas concentrações de dióxido de carbono de alguns combustíveis (g CO2 eq./km). (Pedro, 2013)
4
4 Composição dos resíduos lenhocelulósicos
A lenhocelulose é o componente principal da biomassa e é composta por três tipos de
polímeros: celulose, hemicelulose e lenhina, sendo que a sua composição e abundância pode
variar dependendo do tipo de planta em causa. É o recurso renovável orgânico mais
abundante no solo. As maiores fontes de produtos lenhocelulósicos residem nas cascas de
milho, palha de arroz, canas de açúcar, entre outros.
5 Processo de produção de bioetanol
O processo de produção de bioetanol a partir de resíduos lenhocelulósicos divide-se
geralmente em 4 passos:
1. Pré-tratamento
2. Hidrólise
3. Fermentação
4. Purificação
5.1 Pré-tratamento
O processo de pré-tratamento tem como objetivo dividir os 3 componentes principais
da lenhocelulose (lenhina, celulose e hemicelulose) de modo a remover a lenhina presente
nos resíduos, tornando a celulose mais acessível no passo seguinte (hidrólise da celulose),
sendo para isso utilizados 3 tipos de tratamentos: físicos químicos, e biológicos.
Físicos: são usados essencialmente para aumentar a área de acesso e diminuir o grau
de polimerização da celulose. Os processos físicos mais usados são a moagem e a irradiação
por raios gama ou micro-ondas.
Químicos: nestes degradam-se os resíduos de lenhina e hemicelulose resultantes,
sendo, para o efeito, usados nos tratamentos soluções de ácidos diluídos, tais como o ácido
sulfúrico ou soluções alcalinas, como o hidróxido de sódio. O pré-tratamento pode também
ser efetuado com ozono, que elimina os vestígios de lenhina e hemicelulose presentes na
lenhocelulose.
Biológicos: o pré-tratamento da lenhocelulose pode ser realizado também utilizando
microrganismos que têm a capacidade de degradar a hemicelulose e a lenhina, sendo que a
celulose é mais resistente do que as restantes. Este é um processo bastante benéfico uma vez
que não requer tanta energia como os restantes, no entanto é bastante lento.
Os produtos resultantes deste pré-tratamento devem ter um aumento na produção
de açúcares ou então a capacidade de o fazer através de hidrólise e evitar a perda de
hemicelulose e formação de produtos inibidores da hidrólise e fermentação.
5
5.2 Hidrólise
A hidrólise enzimática é realizada com o propósito de transformar a celulose em
glicose, através da ação de três enzimas que atuam em diferentes partes da fibra celulósica
(endoglucanase, exoglucanase, β-glicosidase). A ação conjunta destes três tipos de celulases
é o que permite a produção de glicose. Alguns fatores como o grau de polimerização da
celulose, o volume dos poros e o tamanho das partículas podem condicionar o efeito das
celulases e, como tal, o resultado da hidrólise da celulose.
5.3 Fermentação
A fermentação é o processo que converte as pentoses e hexoses resultantes do
processo de hidrólise em etanol, através do uso de microrganismos, tais como bactérias,
leveduras ou fungos.
Para que um determinado microrganismo possa ser utilizado neste processo ele deve
ter uma elevada produtividade, produzindo elevadas quantidades de etanol e conseguir
suportar elevadas concentrações do mesmo.
Este processo pode ser realizado juntamente com o anterior ou separadamente sendo
que o primeiro, dependendo das condições, geralmente apresenta uma melhor alternativa
uma vez que realizar ambos os processos num único reator é mais económico, a produção de
etanol é maior, a quantidade de enzimas mais pequena e a capacidade de contaminação é
também mais pequena, devido à presença de etanol no reator.
5.4 Purificação
A purificação consiste em aumentar o grau de pureza do etanol eliminando
essencialmente a percentagem de água que este contém, uma vez que esta causa um
aumento da polaridade da molécula de etanol, o que constitui uma grande desvantagem já
que, por exemplo, quando misturado com gasolina, iriam haver duas fases distintas, o que
não seria aceitável.
Para que tal seja possível, são utilizados processos como a destilação, para separar a
água do etanol, e a desidratação, para eliminar pequenas percentagens de água ainda
presentes na mistura de etanol.
6
6 Implementação a nível industrial
6.1 Industrialização Mundial
Quanto à implementação a nível industrial, o mercado do bioetanol tem vindo a
crescer rapidamente nos últimos anos.
Através da visualização da Tabela 2, se pode verificar que a produção mundial de
bioetanol aumentou mais do dobro desde 2007 até 2015, chegando a produzir-se, nesse ano,
cerca de 97 biliões de litros deste composto. (AFDC, 2015)
Tabela 2 – Produção mundial de bioetanol em biliões de litros (AFDC, 2015)
Os líderes mundiais na produção de bioetanol são os EUA, com cerca de 56 biliões de
litros, seguido pelo Brasil com cerca de 27 biliões de litros e juntos, os E.U.A e o Brasil
produzem 85% do etanol mundial.
Nos E.U.A, a maioria do bioetanol é produzido através do milho e é principalmente
utilizado como um aditivo na gasolina. O E10, combustível que contém 10% de etanol, é o
combustível-padrão utilizado, enquanto que o E15, que contém 15% de etanol, está
disponível nas estações de gasolina desde 2011. (Cropenergies, 2015)
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Quanto ao Brasil, a maioria do bioetanol é produzido através de cana-de-açúcar e está
disponível tanto como um combustível puro, E100, que apenas contém uma percentagem
reduzida de água, como também como uma mistura com gasolina com um teor de 20%-25%.
Cerca de 90% das matrículas de veículos novos no Brasil são veículos de combustível flexível
(FFV), ou seja, veículos que podem funcionar com gasolina regular, com bioetanol ou com
uma mistura de ambos. (Cropenergies, 2015)
No entanto, como vimos anteriormente, a produção de bioetanol pode ser feita de
três formas diferentes correspondentes às três gerações e, no contexto deste trabalho,
interessa falar no bioetanol de segunda geração ou, por outras palavras, no etanol
lenhocelulósico.
A produção deste composto ainda está numa fase inicial e, como tal a sua produção
não se compara à produção de bioetanol de primeira geração.
Contudo, perspetivas norte-americanas mais otimistas relativamente à produção
mundial de bioetanol afirmam que em 2022 serão produzidos aproximadamente 130 biliões
de litros de biocombustíveis celulósicos ou de segunda geração, como pode ser visualizado
na Figura 1. De acordo com esta Figura, a produção de biocombustíveis de segunda geração
apresentará o maior crescimento quando comparada com os restantes biocombustíveis.
(Silva, 2010)
Figura 1 - Perspetivas da produção de biocombustíveis (Silva, 2010)
34
4961
72
91102
121
140
34
4961 64
8391
102
129
3445
57 59 59 59 59 59
3442
53 53 53 53 53 53
0
20
40
60
80
100
120
140
160
2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022
BIL
IÕES
DE
LITR
OS
ANO
Perspetivas da Produção de Biocombustíveis
Biocombustíveis avançados Biocombustível celulósico Biodiesel Etanol de milho
8
Quanto à implementação industrial, na primeira década do século 21, várias empresas
anunciaram planos para construir fábricas de etanol celulósico comercial, mas a maioria
desses planos, eventualmente, desfez-se, e muitas das pequenas empresas foram à falência.
Atualmente, há muitas instalações de demonstração em vários países e vários planos em
escala comercial, que estão ou em operação ou próximos de tal. (Wikipedia, 2016)
Alguns dos exemplos de empresas atualmente em operação são: a Beta Renewables
(Crescentino, Itália); a INEO Bio (Flórida, EUA) e a POET-DSM Advanced Biofuels (Iowa, EUA);
entre outras.
Reletivamente à Beta Renewables, esta inaugurou oficialmente a sua fábrica de etanol
com base em celulose em escala comercial a 9 de outubro de 2013. Esta instalação é
atualmente a maior do mundo relativamente à refinaria de biocombustíveis avançados, com
uma capacidade de produção de 75 milhões de litros de etanol por ano através da conversão
de trigo, arroz e de arundo donax (cana-do-reino). (European Biofuels Technology Platform,
2016)
Quanto à INEO Bios, esta iniciou a produção comercial na sua biorrefinaria de etanol
com base em celulose em julho de 2013. A matéria-prima para o processo inclui resíduos
agrícolas, resíduos de quintal e resíduos de madeira. (European Biofuels Technology Platform,
2016)
A empresa POET-DSM Advanced Biofuels iniciou a produção de etanol com base em
celulose a Setembro de 2014, na sua instalação de 250 milhões de dólares. Nesta, o etanol é
produzido a partir dos resíduos do milho. (European Biofuels Technology Platform, 2016)
Para cada hectare de milho plantado é possível produzir cerca de 8 a 11 toneladas de
grãos, sendo que de cana são produzidas 90 toneladas.
Para essa quantidade de milho, são produzidos de 3200 a 4500 litros de etanol,
enquanto que a cana produz cerca de 7500 litros. (Barros, 2016)
Tabela 3 - Produção e consumo do milho em milhões de toneladas a nível mundial
entre 2009 e 2012 (Luís de Vasconcelos e Souza, 2015)
9
6.2 Industrialização na Europa e Portugal
No dia 8 de maio de 2003 a Comissão Europeia estabeleceu vários princípios para a
promoção dos biocombustíveis na EU. Mais especificamente, declarou que cada país deve
assegurar que uma quota mínima de biocombustíveis é colocada no mercado. Assim,
estabeleceu diferentes valores de referência tendo em conta várias metas, sendo que:
A quota mínima deve ser de:
• 2% de toda a gasolina e de todo o gasóleo utilizados para efeitos de transporte
colocados no mercado, até 31 de dezembro de 2005; (Quilhó, 2011)
• 5,75% de toda a gasolina e de todo o gasóleo utilizados para efeitos de transporte
colocados no mercado, até 31 de dezembro de 2010. (Quilhó, 2011)
A 23 de abril de 2009 as metas foram atualizadas para novos valores determinando
que cada país deve assegurar que a quota de energia proveniente de fontes renováveis,
consumida por todos os meios de transporte em 2020, represente, pelo menos, 10% do
consumo final de energia nos transportes. Além disso, foram definidos pela primeira vez
critérios de sustentabilidade para os biocombustíveis, os quais deverão ser cumpridos para
que a energia produzida seja contabilizada no cumprimento das metas.
Alguns dos critérios impõem que:
• Os biocombustíveis não devem ser produzidos a partir de matérias-primas
provenientes de terrenos ricos em biodiversidade (p. ex. floresta primária);
• Os biocombustíveis não devem ser produzidos a partir de matérias-primas
provenientes de terrenos com elevado teor de carbono (p. ex. zonas húmidas);
O impacto que estas diretivas tiveram na produção de biocombustíveis na Europa
pode ser observado na Figura 2. Como se pode ver, a partir do ano 2004, um aumento
exponencial da sua produção. A produção de bioetanol na União Europeia, em 2010,
correspondeu a cerca de 35% da produção total de biocombustíveis (Quilhó, 2011).
Figura 2 - Produção de biocombustíveis na União Europeia (Quilhó, 2011)
10
Em Portugal, surgiu a Março de 2006 um novo decreto-lei que transpõe para a
legislação nacional algumas destas metas.
Este decreto-lei tem como objetivo a colocação no mercado português de
biocombustíveis e de outros combustíveis renováveis, em substituição dos combustíveis
fósseis. No mesmo ano, a produção de biocombustíveis registou um aumento significativo,
sendo a sua totalidade constituída por biodiesel. No ano de 2010 atingiu-se a produção de
cerca de 6.000 barris por dia (Quilhó, 2011). A evolução da produção deste biocombustível
pode ser observada na Figura 3.
Figura 3 - Produção de biocombustíveis em Portugal (Quilhó, 2011)
Em resumo, as políticas de apoio à produção de biocombustíveis são um fator-chave
para a promoção do seu desenvolvimento.
11
7 Conclusão
O processo de produção de energias renováveis através do bioetanol de 2ª geração
permite a utilização de resíduos vegetais, o que por si só já seria vantajoso uma vez que a sua
produção não compete com a indústria alimentar, eliminando assim, muitas das questões
éticas relacionadas com biocombustíveis. Para além disso, os impactos ambientais causados
seriam menores, visto que verificamos que ocorre uma menor emissão de gases com efeito
de estufa, nomeadamente o dióxido de carbono.
A implementação deste processo em Portugal seria viável, visto que existem imensos
recursos disponíveis. Assim este processo poderá representar uma potencial obtenção de
energia para o futuro de Portugal.
12
8 Referências bibliográficas
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