obtenção de etanol a partir da casca de banana

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DA FEI OBTENÇÃO DE ETANOL A PARTIR DA CASCA DA BANANA AGOSTINHO SOARES LEONARDO MIRANDA NATHÁLIA CHIZZOLINI PATRÍCIA ROMANO CANTERAS

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Page 1: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

CENTRO UNIVERSITÁRIO DA FEI

OBTENÇÃO DE ETANOL A PARTIR DA CASCA DA BANANA

AGOSTINHO SOARES

LEONARDO MIRANDA

NATHÁLIA CHIZZOLINI

PATRÍCIA ROMANO CANTERAS

SÃO BERNARDO DO CAMPO

2009

Page 2: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

AGOSTINHO SOARES

LEONARDO MIRANDA

NATHÁLIA CHIZZOLINI

PATRÍCIA ROMANO CANTERAS

OBTENÇÃO DE ETANOL A PARTIR DA CASCA DA BANANA

SÃO BERNARDO DO CAMPO

2009

2

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao Departamento de

Engenharia Química da FEI, como

parte dos requisitos necessários

para obtenção do título de

Engenheiro Químico, orientado pelo

Prof. MSc. Mauro Renault Menezes

e co-orientado pela Prof.ª Dr.ª

Page 3: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

AGOSTINHO SOARES

LEONARDO MIRANDA

NATHÁLIA CHIZZOLINI

PATRÍCIA ROMANO CANTERAS

OBTENÇÃO DE ETANOL A PARTIR DA CASCA DA BANANA

Trabalho de Conclusão de Curso

Centro Universitário da FEI

Comissão Julgadora

SÃO BERNARDO DO CAMPO

2009

3

Orientador

Examinador (1)

Examinador (2)

Page 4: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradecemos aos nossos pais pelo apoio, carinho, incentivo e,

sobretudo pela força dada nos momentos de dificuldades encontrados durante o período

acadêmico.

Ao professor orientador MSc. Mauro Renault Menezes e à professora co-

orientadora Dr.ª Adriana Célia Lucarini pelo apoio ao longo de todo o trabalho.

A todos os professores que de alguma forma contribuíram para esta nossa

conquista, através dos conhecimentos passados durante a nossa graduação.

4

Page 5: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

RESUMO

Hoje em dia, muitos resíduos agrícolas ou materiais lignocelulósicos estão sendo

utilizados para a produção de etanol. A técnica mais comum utilizada para a conversão da

matéria-prima em etanol é a fermentação dos açúcares por ação anaeróbia da levedura

Saccharomyces cerevisiae. O presente trabalho visa estudar a obtenção de etanol utilizando

a casca da banana como matéria-prima, bem como analisar a viabilidade técnica e

econômica de uma planta para o processo desenvolvido. Para tal estudo, foi obtido o etanol

a partir da casca da banana em laboratório por fermentação, onde se pode verificar um teor

de etanol obtido de 14,58%. A partir do experimento realizado e da visita técnica feita na

Usina São João, projetou-se os equipamentos para este processo, cujos principais

equipamentos são: difusor, caldeira, dornas, trocadores de calor, torre de resfriamento e

colunas de destilação. O custo de investimento foi avaliado em aproximadamente R$

9.482.209,00, sendo a taxa interna de retorno obtida de 32,34% ao ano e o tempo de

retorno do investimento de aproximadamente três anos. Com estes indicadores, pode-se

concluir que o projeto é economicamente viável.

Palavras chaves: obtenção de etanol, casca da banana, viabilidade econômica.

5

Page 6: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

ABSTRACT

Nowadays, most of agricultural waste or lignocellulosic materials are being used

for ethanol production. The most common technique used for the conversion of raw

materials into ethanol is the fermentation of sugars by anaerobic action of the

Saccharomyces cerevisiae yeast. This project aims to study the obtention of ethanol using

banana peel as raw material, and to analyse the technical and economical viability of a

plant for the process. For this study, ethanol was obtained from banana peels in the

laboratory by fermentation, where a content of ethanol obtained of 14.58% can be

observed. The equipment for this process has been designed as per our findings in the

experiment and in the technical visit to Usina São João. The main equipment are:

diffusion, furnace, dorns, heat exchangers, cooling tower and distillation columns. The cost

of the investment was estimated at approximately R$ 9.482.209,00, the internal rate of

return obtained was of 32,34% per year and the investment time of return is approximately

three years . Based on these rates, we can conclude that the project is economically viable.

Keywords: obtention of ethanol, banana peel, economical viability.

6

Page 7: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Balanço de energia na produção de etanol com diversas matérias primas--------12

Tabela 2: Diagrama de sazonalidade na oferta de banana--------------------------------------16

Tabela 3: Composição da banana madura---------------------------------------------------------16

Tabela 4: Composição química (%) da farinha de casca de banana madura sem tratamento

----------------------------------------------------------------------------------------------------------17

Tabela 5: Composição do meio de cultura para fermentação-----------------------------------27

Tabela 6: Concentração de açúcares redutores totais das amostras----------------------------28

Tabela 7: Medidas de densidade durante a fermentação da amostra A-----------------------30

Tabela 8: Medidas de densidade durante a fermentação da amostra B------------------------30

Tabela 9: Medidas de densidade durante a fermentação da amostra D-----------------------30

Tabela 10: Medidas de densidade e teor de etanol-----------------------------------------------31

Tabela 11: Dados do balanço de massa do processo---------------------------------------------36

Tabela 12: Características das dornas utilizadas no processo----------------------------------42

Tabela 13: Variáveis do processo de produção de álcool a partir da casca de banana------47

Tabela 14: Cálculos para dimensionamento do diâmetro das tubulações---------------------48

Tabela 15: Diâmetro das tubulações---------------------------------------------------------------49

Tabela 16: Perdas de carga das tubulações--------------------------------------------------------49

Tabela 17: Preços dos trocadores de calor a placas utilizados no processo-------------------53

Tabela 18: Custo estimado da tubulação----------------------------------------------------------54

Tabela 19: Custos considerados no processo-----------------------------------------------------55

Tabela 20: Custos de terrenos na região de Registro--------------------------------------------55

Tabela 21: Investimentos considerandos na produção anual-----------------------------------57

Tabela 22: Valor de receita anual------------------------------------------------------------------57

Tabela 23: Valores de custos variáveis------------------------------------------------------------58

Tabela 24: Valores de custos fixos-----------------------------------------------------------------58

Tabela A.1: Dados de absorvância em função da concentração de glicose-------------------65

Tabela A.2: Dados de densidade em função do teor de álcool---------------------------------66

Tabela A.3: Dados de absorvância em função da concentração de glicose padrão----------67

7

Page 8: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: Produção mundial de etanol-------------------------------------------------------------10

Figura 2: Produção, consumo e exportação de etanol no Brasil--------------------------------11

Figura 3: Participação média dos principais estados brasileiros na produção da banana -

2000-2005---------------------------------------------------------------------------------------------14

Figura 4: Produção brasileira de bananas - 2000-2005------------------------------------------15

Figura 5: Seqüência das reações enzimáticas pela fermentação alcoólica de carboidratos

endógenos (glicogênio e trealose) ou exógenos (sacarose e maltose), conduzida por

Saccharomyces Cerevisiae--------------------------------------------------------------------------19

Figura 6: Cascas de banana nanica in natura-----------------------------------------------------24

Figura 7: Cascas de banana após cominuição----------------------------------------------------25

Figura 8: Cascas de banana após secagem--------------------------------------------------------25

Figura 9(A) e (B): Amostras na auto-clave para realização da hidrólise----------------------26

Figura 10: Amostras D, B e A no instante inicial da fermentação-----------------------------29

Figura 11: Amostras D, B, e A no instante final da fermentação------------------------------30

Figura 12: Variação de densidade com o tempo de fermentação------------------------------31

Figura 13: Esquema do equipamento de difusão-------------------------------------------------37

Figura 14: Esquema contra corrente para o processo de difusão com cana-de-açúcar------38

Figura 15: Esquema contra corrente para o processo de difusão-------------------------------38

Figura 16: Caldeira de vapor saturado horizontal------------------------------------------------40

Figura 17: Bomba centrifuga da “KSB”-----------------------------------------------------------41

Figura 18: Layout das colunas de destilação no ambiente HYSYS---------------------------44

Figura 19: Esquema contra corrente para trocadores de calor a placas-----------------------45

Figura 20: Trocador de calor montado com pedestal em aço carbono------------------------46

Figura 21: Modelo genérico de placa gaxetada, usada para o cálculo de trocares de calor-47

Figura 22: Torre de resfriamento da série TCM--------------------------------------------------50

Figura 23: Centrífuga comumente usada na indústria de álcool-------------------------------51

Figura 24: Representação do fluxo de caixa------------------------------------------------------58

Figura A.1: Curva de calibração para a concentração de açúcares redutores totais---------65

Figura A.2: Curva de calibração para o teor de álcool------------------------------------------66

Figura A.3: Curva de calibração para a concentração de glicose------------------------------67

8

Page 9: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Figura B2.1: Diagrama de tijolos-------------------------------------------------------------------70

Figura B2.2: Altura manométrica e NPSH--------------------------------------------------------70

Figura B2.4: Potência necessária-------------------------------------------------------------------71

Figura B3.1: Ambiente do HYSYS com informações complementares da coluna T-100--72

Figura B3.2: Ambiente do HYSYS com o perfil das temperaturas nos pratos da coluna T-

100------------------------------------------------------------------------------------------------------72

Figura B3.3: Ambiente do HYSYS com informações complementares da coluna T-101--73

Figura B3.4: Ambiente do HYSYS com o perfil das temperaturas nos pratos da coluna T-

101------------------------------------------------------------------------------------------------------73

Figura B4.1: Ambiente do WinQuote para o cálculo de trocador de calor a placas---------77

Figura B4.2: Ambiente do WinQuote com o tipo de configuração dos trocadores de calor77

Figura B4.3: Ambiente do WinQuote com a alimentação e retorno do trocador de calor- -78

Figura B5: Perda de carga por 100 metros de tubulação----------------------------------------79

9

Page 10: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

SUMÁRIO

1. OBJETIVOS-----------------------------------------------------------------------------------------7

1.1. Objetivo geral-------------------------------------------------------------------------------------7

1.2. Objetivos específicos-----------------------------------------------------------------------------7

2. INTRODUÇÃO-------------------------------------------------------------------------------------8

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA--------------------------------------------------------------------9

3.1. Etanol-----------------------------------------------------------------------------------------------9

3.2. Produção mundial de etanol-------------------------------------------------------------------10

3.3. Produção nacional de etanol-------------------------------------------------------------------11

3.4. Bioetanol-----------------------------------------------------------------------------------------13

3.5. Produção de banana no Brasil-----------------------------------------------------------------14

3.6. Propriedades químicas e biológicas da banana e de sua casca----------------------------16

3.7. Fermentação-------------------------------------------------------------------------------------18

3.8. Hidrólise ácida-----------------------------------------------------------------------------------20

4. METODOLOGIA---------------------------------------------------------------------------------21

4.1. Materiais utilizados-----------------------------------------------------------------------------21

4.2. Métodos analíticos------------------------------------------------------------------------------22

4.2.1. Método do DNS para determinação de açúcares redutores-----------------------------22

4.2.2. Método enzimático para determinação de glicose----------------------------------------23

4.3. Procedimento experimental--------------------------------------------------------------------24

4.3.1. Cominuição e secagem da casca de banana-----------------------------------------------24

4.3.2. Hidrólise Ácida da casca de banana--------------------------------------------------------25

4.3.3. Neutralização do hidrolisado----------------------------------------------------------------26

4.3.4. Fermentação alcoólica------------------------------------------------------------------------26

4.3.4.1. Preparo do mosto---------------------------------------------------------------------------26

4.3.4.2. Preparo do inóculo--------------------------------------------------------------------------27

4.3.4.3. Fermentação---------------------------------------------------------------------------------27

10

Page 11: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

4.3.5. Destilação--------------------------------------------------------------------------------------27

5. RESULTADOS------------------------------------------------------------------------------------28

5.1. Dados de açúcares redutores totais-----------------------------------------------------------28

5.3. Fermentação-------------------------------------------------------------------------------------29

5.3.1. Dados de densidade ao longo do tempo----------------------------------------------------29

5.4. Destilação----------------------------------------------------------------------------------------31

5.5. Dados da determinação de glicose------------------------------------------------------------32

5.6. Quantiade de etanol obtida no experimento-------------------------------------------------32

6. FLUXOGRAMA E BALANÇO DE MASSA DO PROCESSO---------------------------32

7. DESCRIÇÃO E DIMENSIONAMENTO DOS EQUIPAMENTOS----------------------37

7.1. Difusor--------------------------------------------------------------------------------------------37

7.2. Caldeira-------------------------------------------------------------------------------------------40

7.3. Bombas centrífugas-----------------------------------------------------------------------------41

7.4. Dornas--------------------------------------------------------------------------------------------42

7.5. Colunas de destilação---------------------------------------------------------------------------43

7.6. Trocadores de calor-----------------------------------------------------------------------------44

7.7. Tubulações---------------------------------------------------------------------------------------48

7.8. Torre de resfriamento---------------------------------------------------------------------------49

7.9. Centrífugas---------------------------------------------------------------------------------------51

8. AVALIAÇÃO DOS CUSTOS------------------------------------------------------------------52

8.1. Equipamentos------------------------------------------------------------------------------------52

8.1.1. Difusor------------------------------------------------------------------------------------------52

8.1.2. Caldeira-----------------------------------------------------------------------------------------52

8.1.3. Bombas centrífugas---------------------------------------------------------------------------52

8.1.4. Dornas------------------------------------------------------------------------------------------53

8.1.5. Colunas de destilação-------------------------------------------------------------------------53

8.1.6. Trocadores de calor---------------------------------------------------------------------------53

11

Page 12: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

8.1.7. Tubulações-------------------------------------------------------------------------------------54

8.1.8. Torre de resfriamento-------------------------------------------------------------------------54

8.1.9. Centrífugas-------------------------------------------------------------------------------------54

8.2. Especificações das utilidades------------------------------------------------------------------55

8.3. Terreno-------------------------------------------------------------------------------------------55

9. LAYOUT DA PLANTA-------------------------------------------------------------------------56

10. ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA---------------------------------------------56

11. CONCLUSÕES----------------------------------------------------------------------------------59

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS------------------------------------------------------------61

APÊNDICE A – Curvas de calibração------------------------------------------------------------64

A1. Determinação da curva de calibração para determinação de açúcares redutores totais (Método DNS):---------------------------------------------------------------------------------------65

A2. Determinação da curva de calibração para determinação do teor de álcool-------------66

A3. Determinação da curva de calibração para concentração de glicose (método enzimático)--------------------------------------------------------------------------------------------67

APÊNDICE B – Memoriais de cálculo e curvas de catálogos---------------------------------68

B1. Memorial de cálculo da quantidade de etanol obtida no experimento--------------------69

B2. Curvas das bombas KSB utilizadas para a escolha das bombas do projeto-------------70

B3. Memorial de cálculo para as colunas de destilação-----------------------------------------72

B4. Memorial de cálculo para os trocadores de calor-------------------------------------------74

B5. Curva de perda de carga utilizada para a tubulação-----------------------------------------79

APÊNDICE C – Diagrama de blocos do processo-----------------------------------------------80

APÊNDICE D – Fluxograma do processo--------------------------------------------------------82

APÊNDICE E – Layout da planta------------------------------------------------------------------84

12

Page 13: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

1. OBJETIVOS

1.1. Objetivo geral

- Produzir etanol a partir da casca da banana.

1.2. Objetivos específicos

- Determinar a composição quantitativa de açúcares fermentescíveis da casca da banana.

- Estudar a hidrólise da celulose e da hemicelulose da casca da banana.

- Comparar o rendimento da fermentação alcoólica da casca da banana com e sem hidrólise

dos lignocelulósicos.

- Avaliar a viabilidade técnica de uma planta.

- Avaliar a viabilidade econômica do processo desenvolvido.

13

Page 14: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

2. INTRODUÇÃO

Depois da crise do petróleo, que abalou o mundo com a elevação do preço do barril,

houve um esforço tecnológico de diversos países em desenvolver fontes de energia

complementares e renováveis, que deveriam ser obtidas facilmente, e com funções

equivalentes aos combustíveis derivados do petróleo. Vislumbrou-se então no etanol uma

saída para problemas na oscilação do preço do petróleo. Com isso, diversos países, entre

eles o Brasil, decidiram investir em tecnologia para obtenção do mesmo (MENEZES,

1980).

O etanol é produzido por um processo denominado fermentação alcoólica, onde

açúcares tais como a glicose, frutose e sacarose, são convertidos a etanol por ação

anaeróbia de leveduras do gênero Saccharomyces cerevisiae. No Brasil, predomina a

cultura da cana de açúcar para a produção de etanol e açúcar com elevado rendimento de

conversão e este é chamado de álcool de primeira geração. Mas, vale salientar que a busca

de outras matérias-primas para a produção de etanol é importante para incrementar sua

produção, inclusive pelo uso de resíduos agrícolas ou materiais lignocelulósicos, em

pequenas usinas ou na entressafra da cana de açúcar. Este panorama compõe a busca pelo

etanol de segunda geração (REVISTA FAPESP, 2008).

A banana, por sua vez, é a fruta tropical mais consumida in natura no mundo,

sendo apreciada principalmente pelas suas características sensoriais e por ser uma fonte

rica em nutrientes. O Brasil por apresentar, em grande parte do seu território, clima e solo

favoráveis para o plantio da banana, é um dos maiores produtores da fruta. As indústrias

que utilizam como matéria-prima a banana madura, em seus processos, enfrentam

problemas devido a geração de resíduos e o seu destino. Esses resíduos, que chegam a

alcançar cerca de 50% do volume da fruta, podem causar sérios problemas ambientais,

como excesso de material orgânico no solo (RANZANI, 1996).

Visto a importância mundial do etanol e quantidade de banana produzida e

consumida no Brasil, este trabalho tem como objetivo obter o etanol a partir da casca da

banana, sendo uma opção futura para a redução do uso de combustíveis derivados de

petróleo, bem como uma alternativa de utilização deste resíduo pouco explorado para este

fim.

14

Page 15: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1. Etanol

O produto denominado etanol é um dos compostos do grupo orgânico álcool, que

tem por característica a presença de uma hidroxila em sua estrutura molecular. Trata-se de

um líquido a pressão e temperatura ambiente, sendo incolor, inflamável e com um odor

característico (MINATTI, 2008).

Há séculos o etanol é produzido a partir da fermentação de açúcares, sendo esse

processo utilizado até os dias atuais. O etanol também é usado para produção de bebidas

alcoólicas, como cachaça, aguardente, vodka, cerveja e em produtos de perfumaria.

Atualmente com a preocupação de emissões de carbono na atmosfera, o uso do etanol

tornou-se mais comum em motores de combustão interna (SEBRAE-1, 2008).

Depois da crise do petróleo, que abalou o mundo com a elevação do preço do barril,

houve uma necessidade de diversos países em desenvolver uma fonte de energia

complementar, que pudesse ser encontrada facilmente, e com funções equivalentes aos

combustíveis derivados do petróleo. Viu-se então no etanol uma saída para problemas na

oscilação do preço do petróleo e com isso, diversos países decidiram investir em tecnologia

de obtenção do etanol (MENEZES, 1980).

O etanol não só está envolvido nas soluções alternativas para problemas de preço

dos combustíveis fósseis, como também é vinculado à redução de emissões de gases do

efeito estufa (que hoje em dia tem causado polêmica entre países desenvolvidos e

emergentes). Tem importância também na geração de tecnologia para novas fontes de

obtenção deste álcool e na geração de empregos em indústrias sucroalcooleiras.

O mercado de etanol atualmente está em ascensão, desde que países integrantes da

ONU assinaram o protocolo de Kyoto, em 1997, como países europeus e asiáticos. Após

esse evento, transcorreu-se então uma nova alternativa para motores automotivos, como a

produção de motores “Flex” com maior eficiência (SEBRAE-2, 2008).

15

Page 16: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

3.2. Produção mundial de etanol

Com a necessidade mundial da diminuição da emissão de gases do efeito estufa,

após a intervenção da ONU criando o protocolo de Kyoto, muitos países ingressaram na

corrida para a obtenção de etanol, e nos dias atuais diversas matérias primas, como

mandioca, milho e melaço de cana vêm sendo utilizadas para este fim (SIMTEC, 2006).

Em países como a China e Estados Unidos, onde a busca por uma alternativa nas

emissões de carbono tem causado um desconforto, essa pesquisa para melhoramentos na

produção tem sido mais visível, sendo que a China já ocupa o terceiro lugar na produção

de álcool etílico mundial (SIMTEC, 2006). Esta crescente produção de etanol, durante os

últimos anos, pode ser conferida na figura 1.

Na Comunidade Européia foi determinada uma diretiva para a introdução de

biocombustíveis no mercado interno, sendo que a partir de 2005 cerca de 5% dos

combustíveis devem ser originários da biomassa (SIMTEC, 2006).

Figura 1: Produção mundial de etanol

Fonte: FIEG (Federação das Indústrias do Estado de Goiás)

3.3. Produção nacional de etanol

Desde a crise do petróleo, o Brasil tem se desenvolvido tecnológica e

cientificamente no setor de produção de etanol, e têm sido feitos diversos estudos de

tratamento e obtenção de etanol e seus resíduos (MACEDO, 2007).

No Brasil grande parte do etanol é proveniente da fermentação alcoólica da cana-

de-açúcar, tendo como maiores regiões produtoras a região Centro-Sul, Norte e Nordeste,

sendo que no ano de 2006 cerca de 310 usinas produziram por volta de 17 milhões de litros

de etanol (MACEDO, 2007).

16

Page 17: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Com o mercado favorável para a expansão do etanol, estima-se que em 2012-2013

a indústria alcooleira produzirá cerca de 35,7 milhões de metros cúbicos de etanol, o que

pode ser visto na figura 2. Desse volume, 7 milhões de metros cúbicos serão para

exportação. Para isso seria necessário um aumento de capacidade nas indústrias existentes,

além da implementação de novas unidades (MACEDO, 2007).

Figura 2: Produção, consumo e exportação de etanol no Brasil

Fonte: BM&F (Bolsa de Valores, Mercadorias e Futuros)

A produção de etanol no Brasil é observada com grande vantagem frente à

obtenção de biocombustíveis em outros países, tendo uma elevada diferença na capacidade

de redução de emissões, como visto na tabela 1.

Tabela 1: Balanço de energia na produção de etanol com diversas matérias primas

Matérias – Primas Energia renovável / energia fóssil usada

Etanol de cana de açúcar (Brasil) 8,9

Etanol de sorgo sacarino (África) 4,0

Etanol de beterraba ( Alemanha) 2,0

17

Page 18: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Etanol de trigo (Europa) 2,0

Etanol de milho (USA) 1,3

Fonte: Situação atual e perspectivas do etanol (MACEDO, 2007)

O Brasil tem sido referência na produção de etanol em larga escala, e isso se deve

ao fato do grande avanço tecnológico obtidos pelas usinas, como por exemplo, o

desenvolvimento de controle biológico das plantações, controle e uso integral da vinhaça

na ferti-irrigação e aumento da produção de energia elétrica. Também pode ser

mencionado como outras evoluções específicas do estudo do cultivo da cana-de-açúcar,

como a otimização do corte, mapeamento do genoma da cana, avanços na tecnologia de

automação e a introdução dos motores “flex” no mercado (MACEDO, 2007).

A evolução tecnológica para a produção de etanol irá prosseguir, já que o mesmo

está sendo cada vez mais consumido mundialmente, gerando um aumento mundial de

preço. Isso faz gerar uma alternativa competitiva na produção e processamento da cana-de-

açúcar (MACEDO, 2007).

3.4. Bioetanol

Dentro de alguns anos, o foco poderá mudar, e mais avanços tecnológicos irão

surgir. Dessa vez com base no processamento e obtenção de produtos a partir dos resíduos

vistos nas usinas, como por exemplo, o bagaço da cana, palha e resíduos lignocelulosicos,

assim como o desenvolvimento de co-produtos derivados da sacarose (MACEDO, 2007).

Há estudos sendo feitos para a viabilização das chamadas “biorrefinarias”, que tem

como objetivo a produção de etanol e outros produtos a partir da hidrólise da biomassa,

aumentando a conversão da celulose em açúcares fermentescíveis. Porém, há outra

18

Page 19: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

vertente de estudo para utilização e obtenção de energia através da biomassa, chamada

gaseificação, que pode ser utilizada para a geração tanto de energia elétrica, quanto para a

produção de combustíveis, dentre eles o etanol (MACEDO, 2007).

No Brasil há um grande interesse em desenvolver projetos viáveis para a obtenção

do chamado etanol de segunda geração, que visa a obtenção de etanol a partir da celulose

usando técnicas de hidrólises ácidas ou enzimáticas (MACEDO, 2007).

3.5. Produção de banana no Brasil

Por se tratar de uma cultura de clima tropical, a bananeira exige temperatura

elevada e boa disponibilidade de água no solo para seu pleno desenvolvimento. Devido a

essas características o Brasil é um forte produtor desta fruta, sendo os Estados de maior

potencial produtivo São Paulo, Bahia, Santa Catarina, Minas Gerais e Pará

(MATTHIESEM et al, 2003). A participação desses Estados na produção da banana pode

ser visualizada na figura 3.

19

Page 20: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Figura 3: Participação média dos principais estados brasileiros na produção da banana - 2000-2005

Fonte: Ministério da Agricultura - Produção Agrícola

20

Page 21: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Por o Brasil ser um país que possui as características necessárias para o bom cultivo

da fruta, a produção a banana acaba sendo estável durante os anos, como visto na figura 4.

Figura 4: Produção brasileira de bananas - 2000-2005

Fonte: Ministério da Agricultura - Produção Agrícola

A produção da banana não sofre uma sazonalidade da oferta, portanto não há

período de escassez total da fruta durante todo o ano. A sazonalidade na oferta da banana

de acordo com sua variedade pode ser vista na tabela 2.

A oferta de banana varia em função das temperaturas registradas nas regiões

produtoras. As produções locais de banana sofrem com as alterações nas temperaturas

médias diárias, pois interfere no ciclo de formação da fruta. Em temperaturas baixas, como

nos invernos, o amadurecimento da banana se torna retardativo. Nesses meses do ano, a

banana também pode sofrer um escurecimento da casca, processo chamado “chilling”, que

nada mais é que a queima da casca da fruta pelo frio. Entretanto, quando há um aumento

da temperatura, nos verões, e durante todo o ano nas regiões Nordeste e no Norte de

Minas, o amadurecimento da banana segue de forma natural, permitindo uma oferta mais

constante durante todo o ano (MATTHIESEM et al, 2003).

21

Page 22: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Tabela 2: Diagrama de sazonalidade na oferta de banana

Fonte: CEAGESP - 2001

3.6. Propriedades químicas e biológicas da banana e de sua casca

A banana é composta de 70% de água, carboidratos, fósforo, proteínas, cálcio,

ferro, zinco, cobre, manganês, iodo e cobalto, variando os percentuais de acordo com o

tipo de banana. Outras características da fruta é que a mesma apresenta 19% de açúcares

simples e 1% de amido (LIMA, 2000). A composição completa da banana pode ser vista

na tabela 3.

Tabela 3: Composição da banana madura

* Ácido Málico; ** Nanica

Fonte: LIMA (Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais)

22

Page 23: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

A casca da banana, mesmo sendo um resíduo, apresenta propriedades e

características tão ricas quanto à própria banana. O teor de fibra bruta da casca da banana

varia em torno de 4,0 a 12,0% dependendo do estágio de maturação e da variedade

(RANZANI, 1996). Os principais constituintes da casca, bem como sua porcentagem

podem ser vistos na tabela 4.

Outros importantes constituintes da casca da banana são o cálcio, magnésio, amido

e a proteína. Os teores médios de açúcares redutores variam entre 17,3% a 23,6% (JESUS,

2004).

Tabela 4: Composição química (%) da farinha de casca de banana madura sem tratamento

Constituintes Porcentagem (%)

Proteína 7,92

Fibra bruta 7,41

Lignina 8,88

Celulose 14,60

Hemicelulose 8,06

Açúcares totais 43,58

Taninos (compostos fenólicos) 1,71

Umidade 7,84

Fonte: Avaliação química e biológica da casca da banana madura (RANZANI, 1996)

23

Page 24: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

3.7. Fermentação

A fermentação pode ser realizada com levedura, fungo amplamente distribuído na

natureza e com capacidade de sobrevivência tanto em condições aeróbias como anaeróbias.

Pasteur, em 1863, descobriu na natureza microbiológica que na fermentação

alcoólica ocorre um processo anaeróbio, ou seja, a vida se manifestando na ausência de ar.

A partir daí, descobriu-se que as reações enzimáticas são responsáveis pela transformação

química do açúcar em etanol e gás carbônico no interior da levedura (LIMA et at., 2001).

A transformação do açúcar (glicose) em etanol e CO2 envolvem 12 reações em

seqüência ordenada, cada qual catalisada por uma enzima específica, como visto na figura

5. Essas reações ocorrem no citoplasma celular, sendo nessa região da célula onde se

processa a fermentação alcoólica. Essas enzimas chamadas de “glicolíticas” sofrem ações

de diversos fatores (nutrientes, minerais, vitaminas, inibidores, substâncias do próprio

metabolismo, pH, temperatura e outros), alguns que estimulam e outros que reprimem a

ação enzimática, afetando o desempenho do processo fermentativo conduzido pela

levedura (LIMA et al., 2001).

A levedura Saccharomyces (levedura da fermentação alcoólica) é um aeróbio

facultativo, ou seja, tem a habilidade de se ajustar metabolicamente, tanto em condições

aeróbias como anaeróbias (ausência de oxigênio molecular). Os produtos finais da

metabolização do açúcar irão depender das condições ambientais em que a levedura se

encontra. Assim, enquanto uma porção do açúcar é transformada em biomassa, CO2 e H2O

em um sistema aeróbio, a maior parte é convertida em etanol e CO2 em um sistema

anaeróbio, processo denominado de fermentação alcoólica. Os carboidratos considerados

substratos para a fermentação podem tanto ser endógenos (constituintes da levedura, como

glicogênio e trealose) quanto exógenos (sacarose, glicose, frutose), estes fornecidos à

levedura (LIMA et al., 2001).

O principal objetivo da levedura, ao realizar o metabolismo anaerobicamente do

açúcar, é gerar uma forma de energia que será utilizada na realização dos diversos

trabalhos fisiológicos (excreção e absorção) e biossínteses, necessários à manutenção da

vida, crescimento e multiplicação da espécie (LIMA et at., 2001).

24

Page 25: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Alguns fatores como temperatura, pressão, pH, oxigenação, inibidores,

concentração da levedura e contaminação bacteriana afetam o rendimento da fermentação

(conversão de açúcar em etanol). O que ocorre é que as quedas na eficiência fermentativa

provêm de uma alteração na estequiometria do processo, levando à maior formação de

produtos secundários (principalmente glicerol e ácidos orgânicos) e biomassa (LIMA et at.,

2001).

Figura 5: Seqüência das reações enzimáticas pela fermentação alcoólica de carboidratos endógenos

(glicogênio e trealose) ou exógenos (sacarose e maltose), conduzida por Saccharomyces Cerevisiae

Fonte: Lima et at., 2001

25

Page 26: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

3.8. Hidrólise ácida

Diversos resíduos agroindustriais têm sido utilizados para a obtenção de

hidrolisados hemicelulósicos mediante diferentes processos de hidrólise. Entre esses, a

hidrólise ácida é o processo mais antigo e mais bem estabelecido (MICHEL, 2007).

Os ácidos geralmente utilizados são o sulfúrico, fosfórico e clorídrico, onde

dependendo do processo de hidrólise, esses ácidos podem ser concentrados ou diluídos. A

hidrólise diluída é um processo que emprega condições menos severas e que alcança

elevados rendimentos. Além disso, a hidrólise ácida diluída apresenta várias vantagens

quando comparada com a utilização dos ácidos concentrados. Esses ácidos, quando estão

em alta concentração, são tóxicos, perigosos, corrosivos, requerendo reatores resistentes à

corrosão e estes, precisam ser recuperados após a hidrólise a fim de tornar o processo

economicamente viável (SUN e CHENG, 2002).

A fase líquida obtida no final do processo de hidrólise contém açúcares

constituintes da hemicelulose (xilose, arabiose), bem como outros compostos considerados

inibidores do processo fermentativo, ou seja, tóxicos aos microorganismos utilizados na

fermentação. Esses compostos incluem produtos de degradação de pentoses e hexoses

como o furfural e o hidroximetilfurfural (HMF) respectivamente, ácido fórmico oriundo da

degradação do furfural e do HMF e os ácidos acético, vanílico, siríngico, palmítico e

compostos fenólicos decorrentes da degradação da lignina (MICHEL, 2007).

Com isso, muitos métodos de detoxificação de hidrolisados têm sido desenvolvidos,

dentre eles o emprego de resinas de troca iônica, carvão ativado, enzimas lignolíticas, pré-

fermentação com fungos filamentosos, tratamentos com álcalis ou sulfitos (MICHEL,

2007).

26

Page 27: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

4. METODOLOGIA

A fim de verificar a melhor condição e rendimento para a obtenção do etanol,

diversas amostras foram analisadas em laboratório. As amostras analisadas foram:

(A) Casca seca após hidrólise;

(B) Casca úmida após hidrólise;

(C) Casca seca e água na proporção de 1:1 em massa com tratamento térmico de 2 horas a

70ºC;

(D) Casca úmida e água na proporção de 1:1 em massa com tratamento térmico de 2 horas

a 70°C;

(E) Casca seca triturada.

Neste trabalho desenvolveu-se um processo para a realização da hidrólise da casca

da banana, sendo esta feita por via ácida. O ácido utilizado foi o ácido sulfúrico em uma

concentração de 1 mol/L.

Foram feitas análises para a quantificação dos açúcares redutores pelo método DNS

(ácido 3-5 dinitro salicílico) nas amostras da casca da banana antes e após a hidrólise. Para

a quantificação da glicose foi utilizado o método enzimático.

4.1. Materiais utilizados

- Banana nanica madura in natura;

- Soluções padrão de glicose;

- Água destilada;

- Ácido Sulfúrico P.A. (Marca QHEMIS – 98%);

- Solução de ácido Sulfúrico 1 mol/L;

- Soluções Padrão de pH ( Marca Merck);

27

Page 28: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

-Reativo de DNS;

- Hidróxido de Cálcio (Marca LAFAN);

- Balança digital;

- Espectrofotômetro (B442 Micronal);

- Moinho de facas;

-Autoclave (Marca FABBE);

- Bomba de Sucção à Vácuo (Marca Quimis);

- Chapa de aquecimento com sistema de agitação magnética;

- pH-metro (Marca Micronal B474);

- Estufa;

- Agitador mecânico (Marca Quimis);

-Glicose.

4.2. Métodos analíticos

4.2.1. Método do DNS para determinação de açúcares redutores

O método DNS consiste na mistura de 1 mL da amostra a ser analisada com 1,5 mL

do reativo DNS. Agita-se e aquece-se a mistura em banho de água fervente por 5 minutos.

A amostra é resfriada em água até temperatura ambiente. Completa-se o volume total para

25 mL com água destilada em tubos aferidos e agita-se. Determina-se a absorbância das

amostras a 540 nm contra um branco preparado com água destilada no lugar da amostra

(LUCARINI, 2008).

O reativo de DNS pode ser preparado a partir de um total de 1000 mL de água

destilada, adiciona-se 10,6 g de ácido 3,5-dinitro salicílico, com vigorosa agitação até

dissolução de todo o ácido. Após essa etapa, adiciona-se 19,8 g de hidróxido de sódio.

Após dissolver todo o NaOH, adiciona-se 306 g de tatarato duplo de sódio e potássio, 7,6 g

28

Page 29: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

de fenol (aquecer em banho de água a 50ºC) e 8,3 g de metabissulfito de sódio. É

importante que esses reagentes sejam adicionados na ordem mencionada e após dissolução

completa do reagente anterior. Uma vez pronta a solução, esta deverá ser filtrada e

armazenada em frasco escuro (LUCARINI, 2008).

Para a realização do método DNS foi necessária a construção de uma curva de

calibração da absorbância versus concentração de glicose. Esta curva foi obtida partindo-se

de soluções padrão de 0,1, 0,2, 0,4, 0,5, 0,7, 0,8 e 1,0g/L de glicose.

4.2.2. Método enzimático para determinação de glicose

A concentração de glicose é obtida no método enzimático através da análise

espectrofotométrica, utilizando uma curva de calibração que correlacione absorbância e

concentração de glicose. Para a elaboração dessa curva foram utilizadas amostras padrão

de concentração: 0,2; 0,4; 0,8; 1,0; 1,2; 1,6; 2,0, utilizando solução padrão de glicose 2g/L.

(LUCARINI, 2003).

O princípio do método é baseado em técnicas colorimétricas onde, inicialmente, a

glicose presente na amostra é oxidada a ácido glicônico e peróxido de hidrogênio, em

presença da glicose-oxidase. O peróxido de hidrogênio formado, na presença de peroxidase

e do sistema constituído por fenol e 4-aminofenazona (aceptor de oxigênio nesta reação),

reage formando um cromógeno vermelho (4-p-benzoquinona-monoiminofenazona). A

concentração desta substância, determinada por métodos colorimétricos, é proporcional à

concentração de glicose na amostra (LUCARINI, 2003).

A análise foi realizada através da adição de 50 L de amostra em 5 mL do reativo

de trabalho, constituído por : glicose-oxidase ( 3000 U), peroxidase ( 400 U), reativo de

cor 1 (formado por 4 aminofenazona 0,025 mol/L e tampão Tris 0,92 mol/L) e reativo de

cor 2 (formado por fenol 0,055 mol/L), em pH 7,4 0,1. A mistura é então incubada em

banho termostatizado a 37°C por 10 minutos, sendo em seguida resfriada em banho de

gelo. Em seguida, realizou-se a leitura em espectrofotômetro em comprimento de onda

ajustado para 505nm (LUCARINI, 2003).

29

Page 30: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

A partir da solução padrão de glicose (2g/L), preparou-se os correspondentes

padrões, cujas concentrações variaram entre 0,2 a 2,0 mg/mL

4.3. Procedimento experimental

4.3.1. Cominuição e secagem da casca de banana

A cominuição visa a redução do tamanho do material celulósico. Para a preparação

do substrato utilizou-se o método descrito por TEWARI & MARWAHA (1986).

Selecionaram-se visualmente as bananas maduras in natura e realizou-se a

cominuição das cascas em pequenos pedaços. Para algumas análises foi necessário utilizar

a casca seca. Portanto, para este processo, utilizou-se uma estufa com temperatura de 65ºC

por um tempo de 48 horas.

Alguns experimentos foram feitos com a casca seca e triturada. Para isso, utilizou-

se um moinho de facas com peneira de tamanho mesh 40.

Após todos os processos de preparo de amostras, transferiu-se todo o material para

recipientes plásticos e estocou-se em freezer.

As figuras 6, 7 e 8 ilustram o processo de cominuição e secagem das cascas de

banana.

Figura 6: Cascas de banana nanica in natura

30

Page 31: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Figura 7: Cascas de banana após cominuição

Figura 8: Cascas de banana após secagem

4.3.2. Hidrólise Ácida da casca de banana

A hidrólise ácida da casca da banana foi realizada adicionando-se à suspensão uma

quantidade da solução de ácido sulfúrico 1 mol/L, na proporção de 1:10 em massa.

Portanto, foram utilizados 100 mL da solução de ácido para 10 g do material (casca da

banana).

Os ensaios foram realizados a 120ºC em uma auto-clave utilizando-se um recipiente

de vidro de 1L. O recipiente foi fechado com um tampão feito de algodão hidrofóbico para

que não houvesse pressão interna e que a água da auto-clave não entrasse no recipiente,

como visto nas figuras 9 (A) e (B). Após o tempo decorrido de 2 horas e meia, resfriaram-

se as amostras para que em seguida fosse realizada a filtração à vácuo e neutralização da

solução com o hidróxido de cálcio (QUEIROGA, 2008).

31

Page 32: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Figura 9(A) e (B): Amostras na auto-clave para realização da hidrólise

4.3.3. Neutralização do hidrolisado

Após a hidrólise e a filtração, foi necessário neutralizar a solução para posterior

fermentação. Adicionou-se o hidróxido de cálcio vagarosamente, sob agitação, até que se

atingisse um pH entre 4,0 e 5,0. Foi feita então, uma nova filtragem para separar o sal

formado e em seguida coletou-se o material. Separaram-se pequenas alíquotas para que

fosse possível a análise de açúcares redutores posteriormente (QUEIROGA, 2008).

4.3.4. Fermentação alcoólica

4.3.4.1. Preparo do mosto

Pesaram-se os sais necessários para o preparo do meio de cultura utilizando 500 mL

como volume de amostra para a fermentação. Dissolveram-se os sais e nutrientes, listados

na tabela 5, em 450 mL da solução obtida a partir da casca e acertou-se o pH dos mostos

para o valor de pH ótimo da levedura Saccharomyces Cerevisiae de 4,5. Para isso

utilizaram-se soluções de H2SO4 ou NH4OH 2 mol/L.

32

Page 33: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Tabela 5: Composição do meio de cultura para fermentação

Nutriente Concentração (g/L) Quantidade para 500 mL (g)

(NH4)2SO4 4,0 2,0

MgSO4.7H2O 0,25 0,125

NaH2PO4 1,0 0,5

Extrato de Levedura 3,0 1,5

Fonte: LUCARINI, 2008

4.3.4.2. Preparo do inóculo

Colocou-se em um béquer 50 mL de suspensão com 10g de levedura seca

(fermento de pão) e agitou-se com agitador magnético durante 30 minutos até desfazer

todos os grumos. Adicionaram-se então os 50 mL do inóculo aos 450 mL do mosto.

4.3.4.3. Fermentação

Retirou-se uma alíquota inicial para medir a densidade no densímetro digital e

incubou-se o mosto em uma estufa isenta de circulação de ar a 30ºC por 48 horas.

Retiraram-se periodicamente alíquotas para a medição da densidade com o objetivo de

acompanhar a produção do etanol.

4.3.5. Destilação

Para determinar o teor alcoólico no mosto fermentado foi necessário destilar a

mistura, utilizando como método de separação a destilação simples.

Inicialmente separou-se a maior parte das células por decantação e com filtração a

vácuo. Logo após, adicionou-se 100 mL do mosto fermentado em um balão de destilação,

junto com 1 ou 2 gotas de anti-espumante a base de silicone e pérolas de vidro. A

destilação ocorreu a 98ºC, com duração de aproximadamente 2 horas.

33

Page 34: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Com o destilado recolhido, fez-se a medição da densidade no densímetro digital e

utilizando a curva de calibração do Apêndice A2, determinou-se o teor de etanol na

amostra recolhida.

5. RESULTADOS

5.1. Dados de açúcares redutores totais

A quantidade de açúcares redutores foi determinada através do método DNS, com

as amostras não hidrolisadas e com as amostras após hidrólise.

Para a determinação da quantidade de açúcares redutores foram necessárias

diluições para as leituras das concentrações na curva de calibração descrita no Apêndice

A1.

As concentrações de açúcares redutores totais nas amostras analisadas podem ser

vistas na tabela 6.

Tabela 6: Concentração de açúcares redutores totais das amostras

Como visto na tabela acima, as amostras A, B e D foram as que apresentaram maior

concentração de açúcares redutores, portanto são as amostras onde o rendimento da

produção de etanol será maior. Por este motivo, o processo de fermentação foi realizado

somente nessas três amostras.

Uma possível explicação para o fato que a concentração de açúcares redutores não

foi maior nas amostras hidrolisadas é ter ocorrido a reação de Maillard, onde há a

Amostras Concentração (g/L)

A 45,28

B 36,29

C 26,62

D 50,76

E 18,25

34

Page 35: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

condensação entre a função carbonila do açúcar redutor, como a glicose, e o grupo –NH2 ,

não ocorrendo um aumento significativamente da concentração de açúcares redutores do

meio e deixando o caldo com uma cor mais escura. Portanto para o desenvolvimento do

processo em escala industrial, utilizou-se a casca da banana úmida com tratamento térmico

somente.

5.3. Fermentação

5.3.1. Dados de densidade ao longo do tempo

Durante o processo de fermentação retirou-se alíquotas de acordo com os tempos

indicados nas tabelas 7, 8 e 9. O ensaio de fermentação foi realizado apenas nas amostras

A, B e D, pois foram as amostras que apresentaram maior concentração de açúcares

redutores.

As figuras 10 e 11 ilustram o processo de fermentação nos instantes inicial e final.

Figura 10: Amostras D, B e A no instante inicial da fermentação

35

Page 36: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Figura 11: Amostras D, B, e A no instante final da fermentação

Com as medições das densidades foi possível identificar o comportamento do

metabolismo da levedura Saccharomyces Cerevisiae durante o processo de formação do

etanol, o que pode ser visto na figura 12.

Tabela 7: Medidas de densidade durante a fermentação da amostra A

Tempo(Horas)

0 2 4 6 8 10 12 24 48

Densidade(g/cm3)

1,03289 1,02039 1,01968 1,01964 1,01960 1,01939 1,01915 1,01910 1,01910

Tabela 8: Medidas de densidade durante a fermentação da amostra B

Tempo(Horas)

0 2 4 6 8 10 12 24 48

Densidade(g/cm3)

1,04454 1,04431 1,04351 1,04239 1,04036 1,03542 1,03507 1,03506 1,03506

Tabela 9: Medidas de densidade durante a fermentação da amostra D

Tempo(Horas)

0 2 4 6 8 10 12 24 48

Densidade(g/cm3)

1,01568 1,01467 1,01390 1,01357 1,01357 1,01355 1,01328 1,01320 1,01320

36

Page 37: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Figura 12: Variação de densidade com o tempo de fermentação

Através do comportamento obtido nas três curvas traçadas na figura acima, pode-se

concluir que a amostra D foi a que apresentou uma maior queda de densidade, em um

menor período de tempo.

5.4. Destilação

O teor de etanol foi determinado através da leitura da densidade das alíquotas

retiradas na destilação. Com os dados de densidades mostrados na tabela 10, foi possível

avaliar o teor de etanol utilizando a curva de calibração descrita no Apêndice A2. Através

dessas medidas conclui-se que a amostra D foi a que apresentou uma maior produção de

etanol.

Tabela 10: Medidas de densidade e teor de etanol

Amostras Densidade (g/cm3) Teor de etanol (%)A 0,9897 7,38B 0,9865 11,41D 0,9857 14,58

37

1,01

1,015

1,02

1,025

1,03

1,035

1,04

1,045

1,05

0 10 20 30 40 50

Tempo (Hora)

Den

sida

de(g

/cm

³)

Amostra A Amostra B Amostra D

Page 38: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

5.5. Dados da determinação de glicose

A determinação da quantidade de glicose foi feita somente na amostra D, pois foi o

ensaio que apresentou o maior teor de álcool. Portanto a amostra de casca úmida com

tratamento térmico é a recomendável para obter um maior rendimento no processo.

A concentração de glicose foi determinada através da leitura de absorvância da

alíquota da amostra D. Com este valor, foi possível avaliar a quantidade de glicose

utilizando a curva de calibração descrita no Apêndice A3.

A concentração de glicose obtida foi de 4 g/L.

5.6. Quantidade de etanol obtida no experimento

Ao final do experimento da amostra D, em 500 mL do mosto fermentado, obteve-se

72,9 mL de etanol. O cálculo realizado pode ser conferido no memorial descrito no

Apêndice B1.

6. FLUXOGRAMA E BALANÇO DE MASSA DO PROCESSO

Foram consideradas as seguintes hipóteses na realização do balanço de massa:

Processo baseado na planta da Usina São João;

Extração de 65,98 gramas de açúcares redutores a cada 1 kg de casca de banana, de

acordo com o ensaio realizado no laboratório (Ensaio D);

Extração de 5,2 gramas de açúcares redutores a cada 1 kg de casca de banana;

Concentração de álcool no mosto fermentado de acordo com obtido em laboratório

(Ensaio D);

Processo de fermentação em batelada;

O poder calorífico da casca de banana considerado o mesmo do bagaço de cana;

Todo combustível utilizado na caldeira é proveniente da casca de banana seca;

Não foi levada em consideração a variação na composição da casca de banana,

devido as diferentes espécies;

38

Page 39: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Levou-se em consideração a perda de 5% do etanol produzido pela fermentação,

devido às dornas serem abertas;

No dimensionamento da torre de destilação, foi admitido comportamento ideal.

Para o desenho do fluxograma, utilizou-se como base uma linha de produção de

álcool obtido a partir da cana-de-açúcar e do experimento que foi realizado em laboratório.

Para isso, foi feita uma visita técnica do grupo a Usina São João localizada em Araras, com

o objetivo de compreender melhor este processo.

Após essas etapas o fluxograma de processo foi então construído como mostra o

Apêndice C. Neste fluxograma nota-se que os principais equipamentos são: difusor,

caldeira, dornas, trocadores de calor, colunas de destilação e centrífugas.

A partir da grande quantidade de cascas descartadas na região de Registro, local

onde a planta será alocada, determinou-se a vazão de entrada da casca de banana no início

do processo. Com esse total de matéria-prima disponível, a planta irá operar com uma

alimentação de 10.000 kg de casca por hora.

O processo da produção de álcool inicia-se com a coleta das cascas de banana no

setor de recepção, utilizando dois caminhões. A matéria-prima é despejada sobre a esteira,

para uma pré-lavagem com água à temperatura ambiente. Essa lavagem tem por objetivo

remover as impurezas das cascas, pois estas podem ser prejudiciais para o processo de

fermentação.

Após a pré-lavagem das cascas na esteira, a próxima etapa é a extração dos

açúcares presentes na casca pelo processo de difusão. Para isso, utiliza-se um difusor que

consiste em uma esteira de comprimento e largura fixa, por onde as cascas irão prosseguir

sendo embebidas com água aquecida a 70 °C. A matéria-prima percorrerá todo o trajeto do

difusor em um tempo fixo determinado de cerca de 50 minutos, para um colchão de 1

metro de altura de casca. Nesse processo ocorrerá a retirada dos açúcares presentes na

casca, sendo que o caldo retirado será recolhido por um coletor principal.

Ao fim do difusor, as cascas serão encaminhadas a uma prensa para a remoção do

caldo restante, diminuindo assim a perda de açúcares no processo. Já o bagaço que é então

retirado da prensa será utilizado para queima na caldeira ou adubo.

39

Page 40: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

O caldo coletado no difusor é direcionado à estocagem, onde na partida da planta

será necessária a adição de nutrientes que irão auxiliar na fermentação. Este caldo então já

tratado será encaminhado para as dornas de fermentação.

Nas dornas de fermentação, adiciona-se a levedura, e durante um tempo de 10 horas

ocorrerá a fermentação. Esse processo é caracterizado pela liberação de calor, então se faz

necessário o uso de algum sistema de resfriamento para ajudar a manter a taxa de

fermentação elevada, controlando também a presença de contaminantes e proliferação de

bactérias. A fermentação acontece em uma temperatura de 32°C em todo o tempo do

processo.

Após o processo de fermentação, o mosto fermentado é direcionado à dorna pulmão

onde será mantido em nível constante. Esta etapa é necessária para garantir que não falte

produto no resto do processo, evitando assim oscilações de vazão.

Separam-se então do mosto fermentado, por meio de centrífugas, as leveduras do

vinho. Sendo as leveduras reaproveitadas, após o tratamento feito com acido sulfúrico

concentrado, ajustando o pH para 4,5 ou em casos onde haja a proliferação bacteriana, é

necessário uma queda mais acentuada de pH para 2,5. Essas leveduras então serão

aproveitadas novamente durante a fermentação.

O vinho separado na centrífuga então é enviado às dornas de vinho turbinado, ou

volante, com o objetivo de manter o nível constante para que não ocorra falta de matéria-

prima durante a alimentação da coluna. O vinho então é alimentado na primeira coluna de

destilação a uma temperatura de 90 °C, onde o álcool é retirado no topo da coluna a uma

concentração de 50 %, esse produto também é chamado de flegma. Na base da coluna,

retira-se a vinhaça, que é utilizada para aquecimento do vinho, e também para irrigação de

plantações ou ração animal.

O flegma é alimentado na segunda coluna de destilação a uma temperatura de

81,4 °C. No topo desta coluna, retira-se o álcool etílico hidratado e da base retira-se o

flegmassa, que é usado para a assepsia dos equipamentos.

O álcool então é resfriado e estocado em tanques que irão abastecer os caminhões

no setor de expedição.

40

Page 41: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

A partir do balanço de massa obtido, a planta terá capacidade de produzir 1670,6 kg

de etanol por hora. Considerando que a planta irá operar 350 dias no ano, parando somente

para manutenções, a quantidade de etanol produzida em um ano será de aproximadamente

14.033 toneladas ou 17,7 milhões de litros. Considerando uma perda de 5% de etanol

devido sua evaporação nas dornas, a produção anual de álcool será de 16,8 milhões de

litros.

A tabela 11 apresenta os dados das correntes indicadas no fluxograma do processo,

que pode ver visto no Apêndice C.

No Apêndice C consta o diagrama de blocos com as principais correntes do balanço

de massa.

41

Page 42: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Nº da corrente

Temperatura (ºC)

Vazão de água (kg/h)

Vazão de vapor de água (kg/h)

Vazão de casca (kg/h)

Vazão de caldo (kg/h)

Vazão de mosto (kg/h)

Vazão de levedura (kg/h)

Vazão de destilado (kg/h)

Vazão de vinhaça (kg/h)

Vazão de flegmassa (kg/h)

Vazão de etanol (kg/h)

pH

1 25 - - 10000 - - - - - - - -

2 25 10000 - - - - - - - - - 7

3 90 10000 - - - - - - - - - 7

4 90 - - - 13000 - - - - - - -

5 32 - - - - 13000 - - - - - 6

6 32 - - - - 13000 - - - - - 4,5

7 25 42000 - - - - - - - - - 7

8 27 42000 - - - - - - - - - 7

9 32 - - - - 13000 - - - - - 4,5

10 32 - - - - - 4330 - - - - 4,5

11 25 - - - - - 4330 - - - - 2,5

12 32 - - - - 13000 - - - - - 4,5

13 90 - - - - 13000 - - - - - 4,5

14 81,4 - - - - - - 3088,8 - - - -

15 100 - - - - - - - 9911,2 - - -

17 120 - 5837,9 - - - - - - - - -

18 81,4 - - - - - - 3088,8 - - - -

20 77,8 - - - - - - 1670,6 - - 1670,6 -

21 99,5 - - - - - - - - 1418,2 - -

26 120 - 3103,4 - - - - - - - - -

27 25 50060 - - - - - - - - - 7

28 25 28885 - - - - - - - - - 7

Tabela 11: Dados do balanço de massa do processo

42

Page 43: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

7. DESCRIÇÃO E DIMENSIONAMENTO DOS EQUIPAMENTOS

A seguir estão descritas as funções dos principais equipamentos utilizados no

processo, assim como seu dimensionamento baseado no balanço de massa feito para todo o

processo.

7.1. Difusor

O difusor é um equipamento que tem por objetivo principal a retirada de açúcares

solúveis da matéria-prima. Este equipamento tornou-se comum atualmente entre as usinas

de açúcar e álcool a partir da cana-de-açúcar por prover menores custos de investimento,

aumento de flexibilidade de produção, maior eficiência de extração, aumento da

confiabilidade do processo e redução de custos operacionais, como: consumo de energia,

custo de instalação e manutenção. Além disso, assegura uma operação mais limpa e

diminui os riscos de infecções (UNI-SYSTEMS, 2009).

O esquema de um difusor pode ser visto na figura 13 abaixo.

Figura 13: Esquema do equipamento de difusão

Fonte: Catálogo Uni-System

Por esses motivos optou-se pelo uso do difusor em substituição da moenda. O

difusor promove uma diminuição de riscos de proliferação de bactérias no caldo por usar

água aquecida entre 70 - 90 °C, para a extração dos açúcares, ocorrendo assim, uma

pasteurização do caldo, que no caso em estudo seria necessária para minimizar a

competição de microorganismos durante a fermentação.

43

Page 44: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

O equipamento de difusão possui um trocador de calor acoplado que utiliza vapor

para o aquecimento da água. A temperatura então é controlada automaticamente por

válvulas de controle e controladores de temperatura, possuindo uma canaleta transversal

que cobre a largura do equipamento sendo distribuída sobre as cascas (UNI-SYSTEMS,

2009).

O esquema do processo de difusão pode ser visto nas figuras 14 e 15. A água

adicionada percorre por entre as fibras das cascas, e é recolhida por meio de captadores de

caldo. Para aumentar a eficácia da retirada dos açúcares, essa operação será feita em contra

corrente, sendo possível garantir uma manutenção entre as soluções ricas e pobres de

açúcares, mantendo assim um diferencial constante ao longo do difusor (UNI-SYSTEMS,

2009).

Figura 14: Esquema contra corrente para o processo de difusão com cana-de-açúcar

Fonte: Catálogo Uni-System

Figura 15: Esquema contra corrente para o processo de difusão

Fonte: Catálogo Uni-System

44

Page 45: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Nesse método de operação pode-se prever um aumento gradual de concentração,

sendo coletado junto a entrada do difusor.

Resultados atuais mostram que a eficiência de extração do difusor junto com a

economia de energia, promove um aumento de rendimento do processo global de produção

de açúcar e álcool a partir da cana-de-açúcar. Sendo que uma usina que processe 2.000.000

toneladas de cana por safra, aumentará seu rendimento operacional em cerca de

U$1.400.000 por safra (UNI-SYSTEMS, 2009).

O investimento inicial para um equipamento de difusão completo pode ser entre 10

a 15 % mais barato ao comparar com o processo que utilize moendas, já que no difusor o

caldo é pré-filtrado pelo colchão de bagaço. O difusor também não exige base de fundação

pesada de concreto, o que pode reduzir em até 70 % os custos com a linha de vapor vivo e

condensado. Outra vantagem é que o difusor é construído para ser mantido ao ar livre, não

sendo necessária a construção de estruturas de edifícios, pontes e suporte (UNI-

SYSTEMS, 2009).

Este equipamento é provido de um painel central no qual permite que o processo

seja controlado por somente um operador por turno.

As variações na composição da matéria-prima, flutuações de vazão na esteira são

praticamente imperceptíveis no resultado final do processo, produzindo mais

confiabilidade nos produtos obtidos e mantendo as especificações pré-determinadas (UNI-

SYSTEMS, 2009).

Difusores não sofrem tanto desgaste na época de safra, em comparação com

moendas, onde possuem partes como rolo, pentes e bagaceiras, produzindo um efeito

negativo conforme o tempo de produção (UNI-SYSTEMS, 2009).

Para a extração dos açúcares da casca de banana será usado um difusor com

capacidade para 12.000 toneladas de casca por hora, com o colchão de casca de 0,8 metro e

tempo de retenção de 1 hora. A água de embebição utilizada será a 70 °C.

45

Page 46: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

7.2. Caldeira

Uma caldeira é em sua essência um trocador de calor com geração própria de

energia através da queima de algum combustível, sendo que a caldeira mais eficiente é

aquela que consegue aproveitar a maior quantidade do calor gerado na combustão.

Ela é a responsável pelo fornecimento de vapor para o processo. É constituída por

um vaso fechado a pressão, com tubos em seu interior no qual se introduz água, que pela

aplicação externa de calor se transforma em vapor.

Para o dimensionamento da caldeira, utilizou-se a soma de toda a quantidade de

vapor que será necessária no processo. Portanto, a quantidade de vapor dos refervedores,

obtido no HYSYS e do difusor.

De acordo com o catálogo da Auraterm e das características do processo, a caldeira

deve ser do modelo CVS-HL, como visto na figura 16, com uma produção de até 15.000

kg/h de vapor.

Figura 16: Caldeira de vapor saturado horizontal

Fonte: Catálogo Arauterm

Para determinar a massa de bagaço de casca de banana necessária para uma hora de

processo, utilizou-se o poder calorífico do bagaço da cana-de-açúcar de 1.800 kcal/h, pois

não foram encontrados estudos que determine o poder calorífico da casca da banana.

46

Page 47: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Sendo Q o calor necessário para a produção de vapor da caldeira [kcal/h] e Pc bagaço o

poder calorífico da casca, determinou-se que a quantidade de bagaço de casca da banana

necessária para suprir a demanda de vapor é de 2,6 toneladas por hora.

7.3. Bombas centrífugas

As bombas utilizadas para o processo foram do tipo centrifuga. Optou-se por essa

alternativa, pois foi observado o uso desse tipo de bomba na visita feita a Usina São João.

Além disso, esse tipo de bomba encaixa-se no processo, pois todos os fluidos possuem

baixa viscosidade, não são abrasivos e não necessitam de tanta carga para serem

transportados (KSB, 2009).

As bombas centrífugas são compactas e de fácil manutenção. Para efeito de

cálculos, utilizou-se a perda de carga provocada por tubulações retas, perda de carga nos

trocadores de calor e torres de destilação. Portanto, para o pior caso de perda de carga,

adotou-se um modelo genérico de bomba da “KSB”, que se aplica em todos os casos do

processo (KSB, 2009).

Figura 17: Bomba centrifuga da “KSB”

Fonte: Catálogo KSB

Através do catálogo da KSB as bombas serão do modelo Megabloc, que pode ser

vista na figura 17. A curva característica dessa bomba pode ser visualizada no Apêndice

B2.

47

Page 48: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

7.4. Dornas

Na produção de etanol podem-se utilizar dornas fechadas ou abertas. Neste trabalho

considerou-se o uso de dornas abertas, pois possuem uma maior facilidade de montagem e

supervisão. Para cada caso de “estocagem” de fluido, têm-se capacidades diferentes,

variando entre 20m³ a 90m³. Todas as dornas são construídas em aço carbono sem

revestimento de chapas de aço inoxidável, por terem um menor custo no mercado.

Não foram consideradas em nenhum caso, dornas encamisadas ou com serpentina,

por serem de difícil manutenção e possuírem um custo maior. Todos os casos onde é

necessário resfriamento da matéria-prima utilizaram-se trocadores de calor a placas.

A desvantagem de possuir um processo de fermentação com dornas abertas é que

com a liberação de CO2 durante a fermentação, há o arraste de uma porcentagem de álcool

em torno de 5%.

As características das dornas utilizadas no processo podem ser vistas na tabela 12

abaixo.

Tabela 12: Características das dornas utilizadas no processo

Localização Quantidade Capacidade (m³) Material

Tratamento do caldo 2 20 Aço Carbono

Fermentação 4 90 Aço Carbono

Fermentação – Pulmão 1 90 Aço Carbono

Volante 2 90 Aço Carbono

Recuperação de leveduras 1 20 Aço Carbono

Estocagem de Álcool 1 90 Aço Carbono

48

Page 49: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

7.5. Colunas de destilação

No processo de obtenção do etanol, uma etapa fundamental é a destilação do

fermentado. Esta etapa é realizada em duas colunas, por questões econômicas, ao se tratar

do álcool hidratado.

O processo de destilação é classificado como uma operação unitária que consiste na

separação de substâncias com diferentes pontos de ebulição. Existem diversos tipos de

destilação, como: simples, fracionada e azeotrópica. No caso do etanol, apesar de formar

uma mistura azeotrópica, a destilação utilizada no processo se trata de uma destilação

fracionada, pois a mistura atinge a composição requerida para um etanol com finalidade

combustível.

Para o dimensionamento das colunas utilizou-se o software HYSYS e o ambiente

deste programa com alguns dados complementares sobre a coluna, assim como o perfil de

temperatura nos pratos, podem ver vistos no Apêndice B3.

Como já foi citado, o processo em estudo consiste em duas torres de destilação que

estão descritas detalhadamente abaixo:

Coluna T 100:

Na primeira coluna, a corrente de entrada possui uma composição mássica de

11,88% de etanol a 90 ºC, enquanto a saída possui uma composição mássica de 50% de

etanol a 81,43 ºC. A coluna utilizada possui 12 pratos e sua alimentação será realizada no

sexto prato.

A razão de refluxo requerida é de 1,57. A pressão atmosférica foi adotada como a

pressão de operação da coluna. O calor a ser fornecido no refervedor é de 3.576 KW

utilizando 5.837,9 kg de vapor de água por hora, enquanto do condensador o calor a ser

retirado é de 3.493 KW utilizando 50,06 m3 de água por hora.

A alimentação dessa coluna será de 13.000kg/h e as vazões do topo e da base da

coluna serão respectivamente de 3088,8 kg/h e 9911,2 kg/h.

49

Page 50: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Coluna T 101:

Na segunda coluna, a corrente de entrada possui uma composição mássica de 50,%

de etanol a 81,43 ºC, enquanto a saída possui uma composição mássica de 92,40% de

etanol a 77,80 ºC. A coluna utilizada possui 15 pratos e sua alimentação será realizada no

oitavo prato.

A razão de refluxo requerida é de 3,26. A pressão atmosférica foi adotada como a

pressão de operação da coluna. O calor a ser fornecido no refervedor é de 1.901 KW

utilizando 3103,4 kg de vapor de água por hora, enquanto do condensador o calor a ser

retirado é de 1.876 KW utilizando 26,89 m3 de água por hora.

A alimentação dessa coluna será de 3088,8 kg/h e as vazões do topo e da base da

coluna serão respectivamente de 1670,6 kg/h e 1418,2 kg/h.

A figura 18 exibe um layout das duas colunas no ambiente HYSYS. O

equacionamento adotado para a realização da simulação foi o UNIQUAC – Ideal.

Figura 18: Layout das colunas de destilação no ambiente HYSYS

7.6. Trocadores de calor

Para efetuar a troca térmica entre fluidos líquidos, optou-se pelo o uso de trocadores

de calor de placas. Devido ao seu projeto envolver placas com corrugações, aumentando

assim a área de contato com o fluido e provocando maior turbulência no escoamento, esses

dois fatores juntos aumentarão a transferência de calor entre o fluido quente e frio. Além

50

Page 51: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

dessas características, eles são equipamentos compactos e são menores quando

comparados aos trocadores de calor casco e tubos (APV, 2009).

O principio de funcionamento consiste em um conjunto de placas gaxetadas ou

soldadas entre si, onde um fluido circula em canais ímpares e outro em canais pares, ou

seja, a cada par há troca de calor entre os dois fluidos, como visto na figura 19.

Figura 19: Esquema contra corrente para trocadores de calor a placas

Fonte: Catálogo GEA

O processo para a produção deverá ser provido de vários trocadores de calor a

placas, como por exemplo, resfriamento de caldo preparado, resfriador para o mosto em

processo de fermentação, pré-aquecedor de mosto turbinado e resfriador de álcool

(APV, 2009).

Os cálculos foram efetuados a partir do software WinQuote, com a autorização da

APV. Esse programa foi desenvolvido exclusivamente para uso da empresa “APV South

América”, onde se podem calcular todos os tipos de trocadores de calor a placas. Este

software opera como uma caixa preta onde se entra com as condições de processo e com a

análise dos dados, o software calcula o melhor dimensionamento dentre os vários

tamanhos, corrugações de placas e dentro do leque de opções da própria empresa.

As condições dos fluidos como caldo, mosto, etanol, flegma e vinhaça foram

denominadas a partir de conhecimento adquiridos por experiência de cálculo, dados

fornecidos pelas usinas produtoras e em análises laboratoriais.

51

Page 52: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Para as condições do processo, foram tomados como referência os trocadores de

calor a placas da Usina São João, onde todos os trocadores de calor a placas possuem

pedestais construídos com aço carbono, não conferindo padrão sanitário ao sistema, como

visto na figura 20. Porém as placas possuíam bocais de 6’’e eram construídas com aço

inoxidável 316, para evitar possíveis corrosões, conferindo assim uma maior durabilidade

às placas.

Figura 20: Trocador de calor montado com pedestal em aço carbono

Fonte: Catálogo GEA

A condição das corrugações das placas é feita a partir do cálculo realizado no

software WinQuote, sendo necessária uma análise de carga térmica, perda de carga nos

bocais, em cada placa, perda de carga total do trocador e das vazões requeridas de CIP.

A CIP é a solução de limpeza usada para retirar restos de produto na tubulação e

conservar os equipamentos e materiais, prevenindo problemas como corrosão, e produto

fora de especificação. Para realizar o CIP é necessário dosar hidróxido de sódio e ácido

nítrico concentrado até a diluição a cerca de 3% em volume. Faz-se então um primeiro

enxágüe com água na tubulação e em seguida utiliza-se o hidróxido de sódio, enxágüe

novamente com água, lavagem com ácido nítrico diluído, e por último, mais um enxágüe

com água.

Após feito isso, pode-se utilizar uma complementação da limpeza dos

equipamentos, usando água pressurizada a 120-130°C durante alguns minutos.

52

Page 53: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Para o caso de produção de etanol a partir da casca de banana, foi adotada para

todos os trocadores de calor uma disposição das corrugações de 30°, maximizando a

eficiência de troca térmica, que provocará uma diminuição da quantidade de placas no

trocador de calor. Um exemplo de placa gaxetada pode ser visto na figura 21.

Figura 21: Modelo genérico de placa gaxetada, usada para o cálculo de trocares de calor

Fonte: Catálogo GEA

Utilizou-se um modelo com pedestal em aço carbono, placas com bocal de 4” em

trocadores de calor para aquecimento/resfriamento e aquecimento do mosto. Já para a

recirculação do mosto em fermentação, utilizou-se trocadores de calor a placas com bocais

de 2,5”, pois são mais compactos e há uma menor diferença de temperatura entre a entrada

e saída do fluido.

Na tabela 13, encontra-se a relação dos dados de processo para o cálculo dos

trocadores de calor a placas, sendo que a planilha de resultado pode ser vista no Apêndice

B4.

Tabela 13: Variáveis do processo de produção de álcool a partir da casca de banana

Fluido Vazão (L/h) Temp. entrada (°C) Temp. de saída (°C)

Caldo 13.000 70 32

Mosto fermentado 15.000 35 32

Vinho Turbinado 13.000 32 90

53

Page 54: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

7.7. Tubulações

Toda a tubulação foi estimada com base na visita feita à usina São João, sendo

utilizadas tubulações de aço carbono em todas as instalações. O dimensionamento foi feito

com base na fixação da velocidade e vazão estimada pelo balanço de massa.

Com base nas características do processo da Usina São João, a velocidade para

fluidos líquidos foi fixada em 2,5 m/s. Com isso pôde-se determinar o diâmetro das

tubulações para os fluidos líquidos. Esta velocidade foi determinada, pois evita a geração

de muita turbulência no escoamento dos fluidos líquidos, diminuindo assim a perda de

carga no decorrer da tubulação, prejudicando o dimensionamento das bombas e requerendo

um aumento de potência dos motores.

Tabela 14: Cálculos para dimensionamento do diâmetro das tubulações

ProdutoVazão (m³/h)

Velocidade (m/s)

Velocidade (m/h)

Diâmetro do Tubo (mm) pol

Tubos (pol)

Caldo 13 2,5 9000 42,88 1,69 2Mosto 13 2,5 9000 42,88 1,69 2Vinho 13 2,5 9000 42,88 1,69 2Rec. Leveduras 4,33 2,5 9000 24,75 0,97 1,5Vinho Turbinado 13 2,5 9000 42,88 1,69 2Flegma 3,981 2,5 9000 23,73 0,93 1,5Vinhaça 9,489 2,5 9000 36,64 1,44 2Flegmassa 2,381 2,5 9000 18,35 0,72 1,5Álcool 1,6 2,5 9000 15,05 0,59 1,5Agua do difusor 10 2,5 9000 37,61 1,48 2Agua condensador (1) 50 2,5 9000 84,10 3,31 4Agua condensador (2) 26 2,5 9000 60,65 2,39 2,5

A perda de carga na tubulação foi considerada fazendo uso do gráfico de determinação para perda de pressão em tubulações retas horizontais que pode ver visto no Apêndice B5.

54

Page 55: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Tabela 15: Diâmetro das tubulações

Tabela 16: Perdas de carga das tubulações

7.8. Torre de resfriamento

Na grande maioria dos processos industriais há a necessidade de resfriamento de

equipamentos que geram certa quantidade de calor durante a sua operação, como colunas

de destilação. O fluido geralmente utilizado para dissipar este calor é a água devido as suas

características físicas, além da facilidade de obtenção e a sua atoxidade (OMNI, 2009).

Após sua utilização pode-se eliminar a água do sistema, ou então, resfriá-la e

reaproveitá-la no sistema de resfriamento. Como hoje em dia a dificuldade em obter-se

água a custos reduzidos é grande e com o aumento da rigorosidade nas leis que regem a

poluição de mananciais, chegou-se a conclusão de que o uso de circuitos semifechados de

resfriamento é a melhor solução (OMNI, 2009).

Diâmetro (pol) Vazão (m³/h)Comprimento da

tubulação (m)

1,5 4,33 600

2 13 400

2,5 26 200

4 50 200

Perda de Carga a cada 100m (bar)

2,648

3,3342

0,1961

0,5884

55

Page 56: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Por estes motivos, optou-se pelo uso de uma torre de resfriamento que utilizará

processos de evaporação e transferência de calor para resfriar a água que será utilizada nos

condensadores das colunas de destilação.

Uma torre de resfriamento é uma coluna de transferência de massa e calor,

projetada de forma a permitir uma grande área de contato entre duas correntes. Isto é

obtido mediante a aspersão de água líquida na parte superior e do recheio da torre, isto é,

bandejas perfuradas que aumentam o tempo de permanência no seu interior e a superfície

de contato água-ar (FEM, 2009).

A torre de resfriamento foi dimensionada a partir dos resultados obtidos com o

balanço de massa e com os valores de temperaturas utilizadas. De acordo com o catálogo

da Alpina e com as características do processo, a torre de resfriamento deve ser da série

TCM com enchimento de contato do tipo SG/300, como visto na figura 22.

Figura 22: Torre de resfriamento da série TCM

Fonte: Catálogo Alpina

56

Page 57: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

7.9. Centrífugas

A centrífuga (figura 23) é um equipamento extremamente necessário para o

processo de fermentação alcoólica, onde há o reaproveitamento de levedura. Muitas vezes

esse tipo de equipamento pode ser chamado de maneiras diferentes, como separadora ou

clarificadora, porém constituem no mesmo princípio, usar a alta rotação, e a força

centrípeta, para separar compostos sólidos do líquido onde se encontram.

Nesse processo, isso é extremamente necessário uma vez que a levedura é

selecionada no processo de fermentação, criando uma maior resistência. Após o término do

processo fermentativo, as leveduras resistentes são selecionadas e as mesmas serão

separadas do mosto fermentado por meio da centrífuga. Em seguida essas leveduras

recuperadas são recolocadas nas dornas de fermentação, não diretamente, mas sim após um

tratamento com ácido sulfúrico para acerto de pH.

Figura 23: Centrífuga comumente usada na indústria de álcool

Fonte: Catálogo Piarelisi

57

Page 58: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

8. AVALIAÇÃO DOS CUSTOS

Para determinar o valor de implantação do processo desenvolvido, levaram-se em

consideração os custos dos principais equipamentos necessários para a operação da planta

e os custos de produção, como: matéria-prima, mão-de-obra, energia elétrica, água e

terreno.

8.1. Equipamentos

A análise econômica dos equipamentos foi feita a partir do dimensionamento

realizado anteriormente e da definição do material de construção dos mesmos. Assim, com

essas informações, fizeram-se cotações de preços dos equipamentos em empresas do ramo.

8.1.1. Difusor

Para o difusor necessário no processo, com capacidade para 12.000 toneladas de

casca por hora, fez-se a cotação do equipamento na empresa Uni-Systems. O custo

fornecido foi de R$ 750.000,00.

8.1.2. Caldeira

O custo da caldeira foi obtido com base na potência necessária para que a caldeira

atendesse a necessidade do processo de 5.535 kW. De acordo com o orçamento feito pela

Arauterm o preço da caldeira será de R$ 517.500,00.

8.1.3. Bombas centrífugas

Para a obtenção do custo das bombas centrífugas, consultou-se a empresa KSB

onde o valor fornecido por bomba do modelo Megabloc foi de R$ 3.160,00. Como serão

necessárias 15 bombas durante todo o processo, o custo total das bombas será de

R$ 47.400,00.

8.1.4. Dornas

58

Page 59: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

De acordo com o fabricante de dornas Caldemec, as dornas em aço carbono com

capacidade de 20 m³ terão um custo de R$ 28.890,00 e as dornas de 90 m³ de R$

130.000,00. Como no processo serão necessárias 4 dornas de 20 m³ e 7 dornas de 90 m³, o

custo total será de R$ 1.025.560,00.

8.1.5. Colunas de destilação

Para as colunas de destilação, o custo foi baseado na quantidade de pratos

necessários em cada coluna e do diâmetro da mesma. De acordo com o orçamento feito

com a Açoplast, o custo das colunas T 100 e T 101 será de R$ 178.200,00.

8.1.6. Trocadores de calor

A cotação dos trocadores de calor a placas foi feita pela empresa APV, onde esses

custos podem ser vistos na tabela 17 abaixo.

Tabela 17: Preços dos trocadores de calor a placas utilizados no processo

Trocador Preço unitário (R$) Quantidade Preço total (R$)

Recirculação de mosto 9.380,00 4 37.520,00

Resfriador de Caldo 5.170,00 1 5.170,00

Aquecedor de Água 7.500,00 1 7.500,00

Pré-aquecedor 8.500,00 1 8.500,00

Tubulares 9.800,00 2 19.600,00

Fonte: Empresa APV

A partir da somatória dos custos de todos os trocadores de calor a serem utilizados

no processo, o preço total estimado desses é de R$ 78.290,00.

8.1.7. Tubulações

59

Page 60: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

O preço total da tubulação foi feito com base nos equipamentos dimensionados e na

distribuição necessária no terreno dos mesmos. A cotação de custos, para os diferentes

diâmetros de tubos de aço carbono, foi feita com o fabricante Tubos Ipiranga. Esses custos

estão descritos na tabela 18 abaixo.

Tabela 18: Custo estimado da tubulação

Diâmetro do tubo Custo total (R$)

1,5" 16.548,00

2,0" 18.550,00

2,5" 11.760,00

4,0" 21.400,00

Fonte: Empresa Tubos Ipiranga

8.1.8. Torre de resfriamento

A cotação da torre de resfriamento foi feita pela Alpina e de acordo com as

características da torre escolhida no item 7.8 que atenderá as necessidades do processo, o

custo será de R$ 15.000,00.

8.1.9. Centrífugas

O custo das centrífugas foi obtido com base em sua vazão requisitada pelo processo

de 90 m³/h, segundo a cotação recebida da empresa Pieralisi cada centrífuga terá o custo de

R$ 35.000,00 com potência de 75 HP.

8.2. Especificações das utilidades

60

Page 61: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Para o cálculo das utilidades levou-se em consideração os gastos com a matéria-

prima, energia elétrica, água e mão-de-obra, indicados na tabela 17 abaixo.

Tabela 19: Custos considerados no processo

Item Custo

Casca da banana R$ 2,38 / ton

Energia elétrica R$ 0,154 / kWh

Água R$ 8,29 / m³

Mão-de-obra: Operador de processos R$ 1.472,00 / mês

Mão-de-obra: Engenheiro de processos R$ 4.000,00 / mês

Mão-de-obra: Ajudante geral R$ 769,00 / mês

Mão-de-obra: Supervisor de processos R$ 2.061,80 / mês

Fonte: Eletropaulo, Sabesp, Folha de São Paulo, 2009

8.3. Terreno

Devido à grande quantidade de áreas produtivas de banana e de empresas que

utilizam a fruta como matéria-prima em seu processo na região de Registro, São Paulo, foi

estabelecida que a melhor locação para a planta fosse nessa região. Portanto fez-se uma

pesquisa para estimar custos de terrenos que se encontram na tabela 18 abaixo.

Tabela 20: Custos de terrenos na região de Registro

Área do terreno (m²) Custo (R$)

650 30.000,00

3.000 104.000,00

1.800 60.000,00

Fonte: Embaúba Negócios Imobiliários, 2009

61

Page 62: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

De acordo com as dimensões dos equipamentos e com os custos estimados dos

terrenos, definiu-se que o terreno terá 3.000 m², pois é o que apresenta melhor razão custo-

benefício.

9. LAYOUT DA PLANTA

A partir da definição e do dimensionamento dos equipamentos necessários para o

processo, propôs-se o layout da planta que pode ver visto no Apêndice D. Para a locação

das principais instalações tomou-se como base o terreno escolhido anteriormente de

3.000 m².

10. ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA

Para a análise de viabilidade econômica considerou-se os custos de equipamentos,

mão-de-obra, utilidades e matéria-prima que serão utilizados no processo de obtenção do

etanol.

Considerando que a planta irá operar 350 dias por ano com uma produção de

1.670,6 kg por hora, a produção anual de etanol será de 14.033 toneladas ou 17,7 milhões

de litros. Por haver uma perda de 5% de etanol devido sua evaporação nas dornas, a

produção anual de álcool será de 16,8 milhões de litros.

Como o etanol é o produto mais importante obtido durante todo o processo,

considerou-se apenas o seu valor de venda para determinar a receita anual da planta. O

preço comercializado considerado do etanol foi de R$ 0,60 por litro.

Para a estimativa dos investimentos de capital necessários (investimento fixo e

capital de giro), utilizou-se um método aproximado que utiliza como referência o custo

total dos equipamentos principais adquiridos e entregues na indústria a ser instalada.

Assim, adotando-se o somatório destes custos como sendo 100 %, os demais

investimentos, como aquisição do terreno, construção civil, instrumentação, capital de giro,

entre outros, são obtidos como porcentagens deste valor total (PETERS &

62

Page 63: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

TIMMERHAUS, 1968). Assim, considerando-se que o processo manipulará

principalmente correntes líquidas, o investimento total foi calculado, sendo apresentado na

tabela 21.

Tabela 21: Investimentos considerandos na produção anual

InvestimentoCusto total anual

(R$)Método PETERS &

TIMMERHAUS

Difusor 750.000

100%

Caldeira 517.500Bombas centrífugas 47.400

Dornas 1.025.560Colunas de destilação 178.200Trocadores de calor 78.290

Tubulações 68.258Torre de resfriamento 15.000

Centrífugas 70.000Instrumentação e controle 495.037 18%

Instalação elétrica 302.523 11%Construção e serviços 770.058 28%

Supervisão e Engenharia 907.569 33%Capital de giro 412.531 15%

Instalação de tubulação 1.815.137 66%Serviços de Instalações 1.925.146 70%

Terreno 104.000 -Total 9.482.209 -

Os valores de receita anual, custos variáveis e custos fixos, com base em um ano de

produção, podem ser vistos nas tabelas 22, 23 e 24 respectivamente.

Tabela 22: Valor de receita anual

ReceitaReceita anual

(R$)Custo anual / Litro de

etanol (R$)Etanol 10.089.000,00 0,60

63

Page 64: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Tabela 23: Valores de custos variáveis

Custo VariávelCusto anual

(R$)

Energia elétrica 279.421,00Água (processo) 1.394.071,00Casca de banana 199.920,00Reagentes 1.612.800,00Total 3.486.212,00

Tabela 24: Valores de custos fixos

Custo FixoCusto anual

(R$)

Operador de processo 114.816,00Supervisor de processo 160.820,00Engenheiro de processo 104.000,00Ajudante geral 119.904,00Total 499.540,00

Para o cálculo da lucratividade do projeto levou-se em consideração a Taxa Interna

de Retorno e utilizou-se para isto, o fluxo de caixa que pode ser visto na figura 24. Para o

fluxo considerou-se um período médio de vida útil de operação da planta de 25 anos onde

o financiamento do investimento será pago nesses anos em parcelas de R$ 1.218.117,24

com uma taxa anual de 12 %.

O lucro obtido por ano será de R$ 3.069.110,79 onde foi incidindo uma taxa de

18% devido ao ICMS.

Figura 24: Representação do fluxo de caixa

64

Page 65: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

A partir do investimento, dos custos fixos, variáveis e do lucro obtido anualmente,

calculou-se a taxa interna de retorno através da equação (1).

(1)

O valor obtido do TIR foi de 32,34% a.a., ou seja, esta é a taxa de lucratividade

esperada do investimento para este projeto.

Outro indicador calculado a fim de comprovar a viabilidade econômica do projeto

foi o tempo de retorno do investimento através da equação (2).

(2)

O valor obtido do TRI foi de 2 anos e 269 dias, ou seja, esse será o tempo

necessário para reaver o investimento inicial.

11. CONCLUSÕES

O trabalho teve como objetivo obter etanol a partir da casca da banana e estudar a

viabilidade técnica e econômica de uma planta para esta produção. Com o intuito de

determinar a melhor condição de trabalho da matéria-prima, e assim atingir uma maior

produção de etanol, diversos ensaios com as casca da banana foram realizados em

laboratório.

O experimento que apresentou o melhor resultado foi o que utilizou-se a casca da

banana úmida com tratamento térmico, onde a casca ficou 2 horas em água por 70ºC

(seção 5.4). Para um total de mosto fermentado de 500 mL, obteve-se 72,9 mL de etanol,

ou seja, 14,58% de teor de etanol a partir de 100 gramas de casca de banana.

65

Page 66: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Em um dos ensaios realizou-se a hidrólise da amostra com o objetivo de elevar o

rendimento final do processo, porém isto não ocorreu. Uma possível explicação para este

fato é ter ocorrido a reação de Maillard, onde há a condensação entre a função carbonila do

açúcar redutor como a glicose e o grupo –NH2 , não ocorrendo assim um aumento

significativo da concentração de açúcares redutores do meio e deixando o caldo com uma

cor mais escura. Portanto para o desenvolvimento do processo em escala industrial,

utilizou-se a casca da banana úmida com tratamento térmico somente.

Para a elaboração do fluxograma de processo (Apêndice C), utilizou-se como base

uma linha de produção de álcool obtido a partir da cana-de-açúcar e das etapas

desenvolvidas em laboratório. O local escolhido para alocar a planta foi a região de

Registro, por apresentar um grande volume de produção de bananas e de empresas que

utilizam a fruta como matéria-prima, descartando as cascas.

A planta será alimentada com 10.000 kg de casca por hora, que através do balanço

de massa determinado (tabela 11) e com o percentual de conversão obtido em laboratório,

produzirá 1.670,6 kg de etanol por hora. Considerando que a planta irá operar 350 dias por

ano, parando apenas para manutenções, a quantidade de álcool obtida será de 14.033

toneladas ou 16,8 milhões de litros por ano considerando a perda por evaporação nas

dornas.

Considerando a taxa interna de retorno obtida de 32,34% a.a. e o lucro anual de

R$ 3.069.110,79 (seção 10), conclui-se que a obtenção de etanol a partir da casca da

banana é um projeto viável e atrativo comparado a taxa anual Selic de 10,25% (BCB,

2009). Outro indicador analisado para verificar-se a viabilidade econômica do projeto, foi a

tempo de retorno de investimento que confirmou a atratividade do projeto, pois o

investimento será pago em aproximadamente três anos.

66

Page 67: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

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69

Page 70: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

APÊNDICE A – Curvas de calibração

70

Page 71: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

A1. Determinação da curva de calibração para determinação de açúcares redutores

totais (Método DNS):

Utilizando as soluções padrões de glicoses foram levantados os valores das

respectivas absorvâncias. Estes dados podem ser conferidos na Tabela A.1 abaixo.

Tabela A.1: Dados de absorvância em função da concentração de glicose

Concentração (g/L) 0,1 0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0

Absorvância 0,032 0,109 0,212 0,307 0,353 0,457 0,559

y = 0,5853x - 0,0112

R2 = 0,9933

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Concentração (g/L)

Ab

sorv

ânci

a

Figura A.1: Curva de calibração para a concentração de açúcares redutores totais

71

Page 72: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

A2. Determinação da curva de calibração para determinação do teor de álcool

Utilizando soluções padrões com diferentes teores de álcool, foram levantados os

valores das respectivas densidades para temperatura de 25ºC. Estes dados podem ser

conferidos na Tabela A.2 abaixo.

Tabela A.2: Dados de densidade em função do teor de álcool

Teor de álcool (%) Densidade (g/cm3)

0 0,99819

10 0,98551

20 0,97389

30 0,96301

40 0,94787

50 0,92875

60 0,90741

70 0,88446

80 0,86218

90 0,82839

100 0,79142

y = -1E-05x2 - 0,0006x + 0,9947

R2 = 0,9986

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

0 20 40 60 80 100

Teor de álcool

De

ns

ida

de

(g

/cm

³)

Figura A.2: Curva de calibração para o teor de álcool

72

Page 73: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

A3. Determinação da curva de calibração para concentração de glicose (método

enzimático)

Utilizando as soluções padrões de glicoses foram levantados os valores das

respectivas absorvâncias. Estes dados podem ser conferidos na Tabela A.3 abaixo.

Tabela A.3: Dados de absorvância em função da concentração de glicose padrão

Concentração (g/L) 0,2 0,4 0,8 1,0 1,2 1,6 2,0

Absorvância 0,0943 0,2163 0,3837 0,4470 0,5443 0,7597 0,9280

y = 0,4577x + 0,0111R2 = 0,9969

0,0000

0,1000

0,2000

0,3000

0,4000

0,5000

0,6000

0,7000

0,8000

0,9000

1,0000

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Concentração (g/L)

Abso

rvân

cia

.

Figura A.3: Curva de calibração para a concentração de glicose

73

Page 74: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

APÊNDICE B – Memoriais de cálculo e curvas de catálogos

74

Page 75: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

B1. Memorial de cálculo da quantidade de etanol obtida no experimento

Para determinar a quantidade final de álcool obtido no experimento, seguiu-se o

seguinte cálculo abaixo:

Volume da mistura destilada = 250 mL

Teor de álcool obtido = 14,58 %

Vetanol = 250 mL x 14,58% = 36,45 mL

Portanto para todo o volume de mosto fermentado:

Vfermentado = 500 mL

Vetanol total = 36,45 mL x 2 = 72,9 mL

75

Page 76: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

B2. Curvas das bombas KSB utilizadas para a escolha das bombas do projeto

Figura B2.1: Diagrama de tijolos

Fonte: Catálogo de bombas da KSB

Figura B2.2: Altura manométrica e NPSH

Fonte: Catálogo de bombas da KSB

76

Page 77: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Figura B2.4: Potência necessária

Fonte: Catálogo de bombas da KSB

77

Page 78: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

B3. Memorial de cálculo para as colunas de destilação

Abaixo segue uma amostra do ambiente do HYSYS onde contém alguns dados

complementares sobre a primeira coluna de destilação, assim como o perfil de

temperaturas nos 12 pratos.

Figura B3.1: Ambiente do HYSYS com informações complementares da coluna T-100

Figura B3.2: Ambiente do HYSYS com o perfil das temperaturas nos pratos da coluna T-100

78

Page 79: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Abaixo segue uma amostra do ambiente do HYSYS onde contém alguns dados

complementares sobre a segunda coluna de destilação, assim como o perfil de temperaturas

nos 15 pratos.

Figura B3.3: Ambiente do HYSYS com informações complementares da coluna T-101

Figura B3.4: Ambiente do HYSYS com o perfil das temperaturas nos pratos da coluna T-101

79

Page 80: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

B4. Memorial de cálculo para os trocadores de calor

Cálculo para o aquecedor de água do difusor no software WinQuote:

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Page 81: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

- Cálculo do resfriador de caldo no software WinQuote:

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Page 82: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

- Cálculo do trocador para a recirculação do mosto no software WinQuote:

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Page 83: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

O ambiente de trabalho no software WinQuote para os cálculos dos trocadores de

calor a placas pode ser visto nas figuras à seguir.

Figura B4.1: Ambiente do WinQuote para o cálculo de trocador de calor a placas

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Page 84: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Figura B4.2: Ambiente do WinQuote com o tipo de configuração dos trocadores de calor

Figura B4.3: Ambiente do WinQuote com a alimentação e retorno do trocador de calor

84

Page 85: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

B5. Curva de perda de carga utilizada para a tubulação

Figura B5: Perda de carga por 100 metros de tubulação

85

Page 86: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Fonte: GEA

APÊNDICE C – Diagrama de blocos do processo

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Page 87: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

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Page 88: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

Flegma

3.088 kg/h

Leveduras

4.430 kg/hLeveduras

4.430 kg/h

Álcool Etílico

1.670,6 kg/hMosto Fermentado

13.000 kg/h

Mosto

13.000 kg/h

Casca

10.000 kg/h

Água Quente

10.000 kg/h

90 C

Água

10.000 kg/h

Casca

10.000 kg/h Pré Lavagem Difusor

Fermentação Centrifuga

Recuperação

de Leveduras

Destilação A Destilação B

Casca de banana + Umidade

Água + Resíduos

10.000 kg/h

Vinhaça

9911,2 kg/h

Flegmassa

1.418,2 kg/h

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Page 89: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

APÊNDICE D – Fluxograma do processo

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Page 90: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

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Page 91: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

APÊNDICE E – Layout da planta

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Page 92: Obtenção de Etanol a partir da Casca de Banana

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