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
SÃO BERNARDO DO CAMPO
2009
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
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)
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Figura 3: Participação média dos principais estados brasileiros na produção da banana - 2000-2005
Fonte: Ministério da Agricultura - Produção Agrícola
20
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
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
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
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
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
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
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
-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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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$)
650 30.000,00
3.000 104.000,00
1.800 60.000,00
Fonte: Embaúba Negócios Imobiliários, 2009
61
De acordo com as dimensões dos equipamentos e com os custos estimados dos
terrenos, definiu-se que o terreno terá 3.000 m², pois é o que apresenta melhor razão custo-
benefício.
9. LAYOUT DA PLANTA
A partir da definição e do dimensionamento dos equipamentos necessários para o
processo, propôs-se o layout da planta que pode ver visto no Apêndice D. Para a locação
das principais instalações tomou-se como base o terreno escolhido anteriormente de
3.000 m².
10. ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA
Para a análise de viabilidade econômica considerou-se os custos de equipamentos,
mão-de-obra, utilidades e matéria-prima que serão utilizados no processo de obtenção do
etanol.
Considerando que a planta irá operar 350 dias por ano com uma produção de
1.670,6 kg por hora, a produção anual de etanol será de 14.033 toneladas ou 17,7 milhões
de litros. Por haver uma perda de 5% de etanol devido sua evaporação nas dornas, a
produção anual de álcool será de 16,8 milhões de litros.
Como o etanol é o produto mais importante obtido durante todo o processo,
considerou-se apenas o seu valor de venda para determinar a receita anual da planta. O
preço comercializado considerado do etanol foi de R$ 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
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$)Etanol 10.089.000,00 0,60
63
Tabela 23: Valores de custos variáveis
Custo VariávelCusto anual
(R$)
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
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
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
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69
APÊNDICE A – Curvas de calibração
70
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
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
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
APÊNDICE B – Memoriais de cálculo e curvas de catálogos
74
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
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
Figura B2.4: Potência necessária
Fonte: Catálogo de bombas da KSB
77
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
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
B4. Memorial de cálculo para os trocadores de calor
Cálculo para o aquecedor de água do difusor no software WinQuote:
80
- Cálculo do resfriador de caldo no software WinQuote:
81
- Cálculo do trocador para a recirculação do mosto no software WinQuote:
82
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
83
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
B5. Curva de perda de carga utilizada para a tubulação
Figura B5: Perda de carga por 100 metros de tubulação
85
Fonte: GEA
APÊNDICE C – Diagrama de blocos do processo
86
87
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
88
APÊNDICE D – Fluxograma do processo
89
90
APÊNDICE E – Layout da planta
91
92