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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
TAÍS SOARES FRANCISCO
Simulação de uma etapa de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira
para a produção industrial de polpa celulósica
Lorena - SP
2014
2
TAÍS SOARES FRANCISCO
Simulação de uma etapa de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira
para a produção industrial de polpa celulósica
Lorena - SP
2014
Monografia apresentada à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de
São Paulo como requisito para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia
Industrial Química
Orientador: Prof. Dr. André Luis Ferraz
3
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. André Luis Ferraz que muito me ensinou e orientou durante o
período de elaboração deste trabalho.
4
RESUMO
FRANCISCO, T. S. Simulação de uma etapa de pré-tratamento fúngico de
cavacos de madeira para a produção industrial de polpa celulósica. 2014. 39 f.
Trabalho de Conclusão de Curso - Escola de Engenharia de Lorena, Universidade
de São Paulo, Lorena, 2014.
O presente trabalho verificou a viabilidade econômica da implantação de uma
planta piloto de biotratamento fúngico de cavacos de Eucalyptus grandis em escala
industrial. Esse pré-tratamento que antecede a polpação termomecânica (TMP) e
quimiotermomecânico (CTMP) tem o potencial de melhorar importantes
propriedades mecânicas da polpa e de reduzir o consumo de energia necessária
para o seu refino, foco do biotratamento. Um modelo de planta industrial para a
biopolpação, baseado na planta piloto implantada em Caieiras com adaptações para
inibir o crescimento de contaminates, foi desenvolvido no programa de simulação
Aspen Plus® que permitiu a obtenção do balanço de massa e energia para o
biotratamento. Tais parâmetros foram fundamentais na determinação do custo final
do biotratamento, que no melhor dos cenários abordados foi de R$33,00 por
tonelada de cavaco tratado.
Palavras-chave: Biopolpação. Simulação de bioprocessos.
5
ABSTRACT
FRANCISCO, T. S. Simulation of a fungal pretreatment of wood chips for the
industrial production of pulp. 2014. 39 f. Final Project - Escola de Engenharia de
Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.
This final project verified the economic feasibility of implementing a fungal
bioprocessing pilot plant that treats Eucalyptus grandis chips on an industrial scale.
This pretreatment acts prior to thermomechanical pulping (TMP) and
chemithermomechanical (CTMP) and has the potential to improve relevant
mechanical properties of the pulp and to reduce the energy consumption required for
its refining, focus of the biotreatment. An industrial plant model for biopulping, based
on pilot plant established in Caieiras with some adaptations to inhibit the growth of
contaminants, was developed in the software Aspen Plus® that afforded the mass
and energy balance for the biotreatment. These parameters were fundamental in
determining the final cost of biotreatment, which in the best of scenarios discussed
was R$ 33.00 per ton of treated chips.
Keywords: Biopulping, Bioprocess simulation
6
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Layout de montagem do equipamento para construção da pilha de
cavaco ............................................................................................................. 14
Figura 2 - Consumo de energia nos discos de refinação (MWH) durante
processos de TMP e CTMP, utilizando cavaco controle e cavaco
biopolpado de madeira Eucalyptus grandis .............................................. 15
Figura 3 - Consumo de energia na refinação do cavaco controle e do cavaco
biotratado para os processos de TMP e BioTMP; CTMP e BioCTMP 16
Figura 4 - Fluxograma simplificado do processo de pré-tratamento fúngico de
descontaminação ........................................................................................... 18
Figura 5 - Processo de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira para a
produção industrial de polpa celulósica desenvolvido no Aspen Plus® 22
Figura 6 - Etapa de descontaminação.......................................................................... 23
Figura 7 - Estrutura de um tanque agitado.................................................................. 24
Figura 8 - Centrifuga de decantação ............................................................................ 25
Figura 9 - . Etapa de inoculação ........................................................................................ 26
Figura 10 - Estrutura de um misturador – cone duplo rotativo ..................................... 26
Figura 11 - Etapa de inoculação ........................................................................................ 27
Figura 12- Rosca transportadora ...................................................................................... 27
Figura 13- Esteira transportadora ..................................................................................... 28
Figura 14- Composição do custo da biopolpação nos diferentes cenários, sem o
reciclo de água ............................................................................................... 32
Figura 15 -Benefício econômico devido ao emprego da biopolpação 1. Custo de
energia elétrica a R$ 164,00/MWh; 2. Custo de energia elétrica a
R$249/MWh cavacos de madeira (sem o reciclo de água) .................... 33
Figura 16- Composição do custo da biopolpação nos diferentes cenários, com o
reciclo de água ............................................................................................... 34
Figura 17 -Benefício econômico devido ao emprego da biopolpação 1. Custo de
energia elétrica a R$ 164,00/MWh; 2. Custo de energia elétrica a
R$249/MWh cavacos de madeira (com o reciclo de água) .................... 35
7
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Preços de algumas utilidades e materiais usados no biotratamento .... 28
Tabela 2 - Tarifas médias de água e eletricidade praticadas em São Paulo no
ano de 2014 ................................................................................................... 29
Tabela 3 – Custo do biotratamento excluindo os gastos com água e eletricidade 30
Tabela 4 – Custo com água e eletricidade utilizados no biotratamento que não
inclui o reciclo de água..................................................................................... 30
Tabela 5 - Custo final em R$/h do biotratamento de cavaco de madeira a uma
produção de 2,2 ton/h (sem reciclo de água)............................................... 30
Tabela 6 - Custo final do pré tratamento fúngico nos diferentes cenários
(sem reciclo de água)....................................................................................... 31
Tabela 7 - Redução no custo de produção de polpas dependo da economia de
energia gerada pela biotramento ................................................................ 32
Tabela 8 - Custo final do pré tratamento fúngico nos diferentes cenários (com o
reciclo de água).............................................................................................. 34
8
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 9
1.1 Contextualização............................................................................................................9
1.2 Justificativa ................................................................................................................... 10
1.3 Objetivo ......................................................................................................................... 10
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................ 11
2.1 Polpação ....................................................................................................................... 11
2.2 Polpação mecânica..................................................................................................... 11
2.2.1 Polpação termomecânica (TMP) e quimiotermomecânica (CTMP) ................ 12
2.3 Biopolpação ................................................................................................................. 12
2.3.1 Inoculação da madeira............................................................................................ 13
2.3.2 Planta piloto de biopolpação .................................................................................. 13
2.3.3 Descontaminação do cavaco................................................................................. 16
2.4 Simulador Aspen Plus® .............................................................................................. 17
3. METODOLOGIA ................................................................................................................... 18
3.1. Parâmetros para simulação no Aspen Plus®......................................................... 18
3.2. Avaliação econômica................................................................................................. 20
4. RESULTADOS ..................................................................................................................... 21
4.1 Etapa de descontaminação ....................................................................................... 23
4.2. Etapa de inoculação .................................................................................................. 25
4.3. Etapa de incubação ................................................................................................... 26
4.4. Avaliação econômica................................................................................................. 28
4.4.1. Biotratamento sem o reciclo de água .................................................................. 29
4.4.2. Biotratamento com reciclo de água ..................................................................... 34
5 CONCLUSÃO ....................................................................................................................... 36
REFERÊNCIAS........................................................................................................................ 37
9
1. INTRODUÇÃO
1.1 Contextualização
Atualmente, o Brasil é o quarto maior produtor de celulose do mundo e o nono
na produção de papel. Apesar das posições de destaque, o Centro de Gestão e
Estudos Estratégicos (CGEE) afirma que a performance do Brasil poderia ser melhor
devido às condições edafoclimáticas muito favoráveis, terras disponíveis e
tecnologia florestal que o país possui (SANTOS, 2013).
Parte significativa da produção de celulose e papel nacional é destinada à
exportação. De acordo com dados da Bracelpa, em 2013, 62,3% da produção
nacional de pasta de celulose foi destinado à exportação e 17,9% do papel
produzido teve o mesmo destino (BRACELPA, 2014).
Os principais desafios da indústria de celulose e papel no Brasil são:
manter a liderança mundial na produção e exportação de celulose
branqueada de fibra curta; aumentar a competitividade na produção de
papel; modernizar as fábricas que produzem papel a partir de aparas e
melhorar a atual estrutura de suprimento desse insumo; aumentar a
produção de produtos de maior valor agregado; incrementar sua
imagem, no Brasil e no exterior, como uma indústria verde que se
preocupa em minimizar seus impactos ambientais negativos e consumir
o máximo possível de fontes renováveis de energia ao longo de toda a
sua cadeia produtiva; e expandir a área de florestas plantadas do setor
para fomentar o potencial subotimizado da produção de celulose e papel
do Brasil para atender a demanda maior gerada no cenário de
biorrefinaria (SANTOS, 2013, p 42).
O custo da energia elétrica nesse tipo de indústria é elevado, logo, ganhos de
eficiência energética podem propiciar reduções significativas de custos. Dentre as
ações e tecnologias que podem propiciar ganhos de eficiência energética será
abordado nesse trabalho o processo de biopolpação, ou seja, o pré-tratamento
microbiológico do cavaco de madeira utilizado na polpação. Esse pré-tratamento tem
o potencial de reduzir o consumo de energia necessária durante o desfibramento e
refinamento dos cavacos de madeira, e ainda melhorar importantes propriedades
mecânicas (PAVAN, 2008).
O trabalho empregou simulações de planta de biotratamento em ambiente
10
Aspen Plus® para avaliar a viabilidade econômica desse tratamento na etapa de
polpação mecânica.
1.2 Justificativa
Sabe-se que a biopolpação reduz o custo energético na etapa de refino,
porém não é conhecido o custo total desse pré-tratamento fúngico (PAVAN, 2008). A
criação de um modelo para o processo de pré-tratamento através de um programa
computacional propiciou estimar o custo operacional do biotratamento, valor ainda
desconhecido.
1.3 Objetivo
O objetivo deste trabalho foi simular no programa de computador Aspen Plus®
uma estação de biotratamento de cavacos de madeira que atenda a demanda de
produção em escala industrial e analisar sua viabilidade econômica.
Para atingir este objetivo, o trabalho foi dividido nas seguintes etapas:
a) Simular um processo de biotratamento com inoculação por aspersão;
b) Simular um processo de biotratamento com inoculação por "semente";
c) Com base nas simulações, avaliar o custo da etapa de pré-tratamento
biológico, biotratamento (a) e (b);
d) Avaliar a viabilidade financeira da polpação termomecânica e
quimiotermomecânica que emprega madeira biotratada como insumo.
11
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Polpação
Polpação é a técnica de conversão de madeira em polpa celulósica, através
da separação de suas fibras. A polpação pode ser realizada basicamente por
processos químicos e/ou mecânicos. Contudo, para se obter uma polpa com as
características adequadas para a sua futura aplicação, indústrias adotam processos
de polpação mais avançados ou a combinação de diferentes processos, sendo que
a escolha depende da matéria-prima a ser utilizada e do produto final que se
pretende obter (BLECHSHMIDT; HEINEMANN, 2006).
O presente trabalho está principalmente baseado na operação de uma planta
piloto para biotratamento de cavacos, desenvolvida por Pavan (2008), que antecede
a polpação termomecânica (TMP) e quimiotermomecânico (CTMP) de obtenção de
polpa celulósica em escala industrial. Logo, faz-se necessário entender melhor os
processos de polpação mecânica.
2.2 Polpação mecânica
Na polpação mecânica, o desfibramento da madeira é causado pelo atrito de
troncos contra uma superfície abrasiva em rotação ou pelo desfibramento de
cavacos em refinadores de disco que também giram a altas velocidades. Isso causa
o colapso da lignina e consequente rompimento da estrutura lamelar, liberando as
fibras da madeira. Como grande parte da lignina permanece retida na polpa, o
rendimento de polpa nestes processos é elevado, usualmente entre 90% e 95%
(CUNHA, 2012).
São considerados como processos mecânicos de polpação:
1) Processos de moagem: SGW (Stone groundwood) - Moagem com pedra;
TGW (Thermo groundwood) – Moagem com pedra sob alta temperatura;
PGW (Pressure groundwood) - Moagem com pedra sob pressão.
2) Processos de refino: RMP (Refiner mechanical pulp) - Polpação mecânica por
refinamento; TMP (Thermo-mechanical pulp) - Polpação termomecânica;
CMP (Chemimechanical pulp) - Polpação quimiomecânica; CTMP
12
(Chemithermomechanical pulp) - Polpação quimiotermomecânica
(BIERMANN, 1993; BLECHSHMIDT; HEINEMANN, 2006; EK;
GELLERSTEDT; HENRIKSSON, 2009).
2.2.1 Polpação termomecânica (TMP) e quimiotermomecânica (CTMP)
Na polpação termomecânica (TMP) a madeira, sob forma de cavacos, sofre
um aquecimento com vapor (em tomo de 140°C), sob pressão, provocando na
madeira e na lignina uma transição do estado rígido para um estado plástico,
seguindo para o processo de desfibramento em refinador a disco. A pasta obtida
desta forma tem um rendimento um pouco menor do que no processo mecânico (85
a 90%), mas resulta em celulose para a produção de papéis de melhor qualidade, ou
seja, com maior resistência mecânica e melhor imprimabilidade (NAVARRO, 2004).
A polpação quimo-termomecânica (CTMP), derivada da TMP, resulta do
desfibramento, em desfibrador de disco, sob pressão, de cavacos, serragem de
madeira ou resíduos agrícolas, previamente tratamento com sulfito de sódio ou
álcali. Seu rendimento é cerca de 90% (BERNI, 2010).
2.3 Biopolpação
A biopolpação da madeira é utilizada como uma etapa prévia à polpação
mecânica ou química. Enzimas ou fungos, que degradam lignina seletivamente, são
aplicados sobre cavaco de madeira facilitando o processo de polpação subsequente.
Esse pré-tratamento biológico tem sido bastante estudado nos últimos anos devido
aos benefícios que ele pode proporcionar (PAVAN, 2008).
Na biopolpação, após a aplicação de enzimas ou fungos sobre cavaco de
madeira, este deverá ser incubado cerca de 15 a 30 dias. O resíduo biodegradado
obtido é rico em celulose e possui um baixo teor de lignina, que permite uma maior
facilidade de desfibramento na polpação mecânica ou no caso de polpação química,
uma maior facilidade de penetração dos licores de polpação (JARDINE, 2012).
Qualquer fração de deslignificação da madeira já proporciona à obtenção de polpas
com melhores qualidades e facilidade de polpação mecânica (LIEW et al., 2011).
Os fungos aplicados no pré-tratamento devem ser capazes de degradar a
13
lignina e não a celulose, para não afetar o rendimento do processo (LIEW et al.,
2011). Dentre as várias espécies de fungos estudadas para o processo de
biopolpação, uma tem se destacado, trata-se do basidiomiceto Ceriporiopsis
subvermispora (AKHTAR et al., 1998; FERRAZ et al., 2008).
Esse pré-tratamento fúngico tem sido avaliado não somente em escala de
laboratório, mas também em 2 plantas piloto (uma em Madison, WI, USA e outra em
Caieiras, SP, Brasil).
2.3.1 Inoculação da madeira
A inoculação da madeira corresponde ao início do processo de biopolpação.
Como já citado, este trabalho abordou processos que envolvem inoculação por
aspersão ou por “semente”.
A inoculação por aspersão consiste em irrigar o cavaco de madeira com
micélio fúngico suspenso em água, enquanto que a inoculação por “semente” é feita
pela transferência do cavaco previamente colonizado para o cavaco virgem,
mantendo-os em condições para que o fungo se desenvolva e colonize a madeira.
Se a fase de crescimento do micélio não ocorrer com rapidez suficiente, outros
organismos podem estabelecer-se no composto e interferir em seu crescimento. A
quantidade de inoculante a utilizar é um dos fatores que definirá a velocidade de
crescimento do micélio no composto (BRAGA, 1999).
2.3.2 Planta piloto de biopolpação
Pavan (2008) desenvolveu uma planta piloto para o processo de biopolpação
de eucalipto com dois sistemas de inoculação, por aspersão e por “semente”. A
planta foi instalada em Caieiras, SP, Brasil e tentou reproduzir o processo realizado
na planta construída em Madison (WI, USA) em meados dos anos 90. A Figura 1
ilustra a instalação principal da planta piloto brasileira. A planta americana validou as
práticas técnicas e econômicas da época em uma polpação termomecânica (TMP).
14
Figura 1 – Layout de montagem do equipamento para construção da pilha de cavaco.
Fonte: PAVAN, 2008
Na planta piloto, o cavaco previamente picado presente no silo alimenta uma
esteira que o conduz para a etapa de descontaminação, realizada em uma rosca
transportadora. O cavaco é aquecido a 80ºC através do contato direto com vapor
fluindo em contra corrente no interior da rosca. Para estar em temperatura adequada
à inoculação, igual ou menor que 45ºC, o cavaco é resfriado em uma segunda rosca
com ar. Em seguida, este passa por uma unidade onde recebe o inóculo por spray e
cai na esteira que o leva para a formação da pilha, onde ocorrerá a incubação. A
planta tratava 2,2 toneladas de cavacos por hora até a formação de uma pilha com
50 toneladas, esta era então mantida com ventilação forçada por 30 dias.
A Figura 1 ilustra o biotratamento com inoculação por aspersão, porém devido
à contaminação por outros fungos, que inibiam o crescimento do Ceriporiopsis
subvermispora, o processo foi modificado para inoculação por “semente”. No pré-
tratamento com inoculação por semente, o cavaco de madeira passava pelas
mesmas etapas de descontaminação e ao final era misturado com cavaco biotratado
previamente em laboratório.
Apenas o processo de pré-tratamento com inoculação por “semente” atingiu
resultados próximos aos estudos em laboratório com relação à economia de energia.
Pavan (2008) consolidou as técnicas de biopolpação com madeira Eucalyptus
grandis em processos de polpação termomecânicos (TMP) e quimiotermomecânicos
(CTMP), obtendo valores respectivamente de 18 e 27% de economia em
biotratamentos de TMP e CTMP, e utilizando a espécie Ceriporiopsis subvermispora
como fungo de decomposição.
Os resultados foram obtidos a partir do refino de uma pilha de 45 toneladas
Fluxo de madeira
15
de cavaco de madeira, inoculada com 8 toneladas de cavaco de madeira pré-
cultivados usados como “semente” de inoculação, a qual foi obtida através de
contínuas ampliações de escala. Após 60 dias de biotratamento, com condições
adequadas para o crescimento do fungo, a caracterização da polpa apresentou
significativa redução no consumo de energia elétrica nos refinadores, conforme se
observa na Figura 2 (FERRAZ et al. 2008; PAVAN, 2008).
Para verificar a redução no consumo de energia proporcionada pelo
biotratamento do cavaco de madeira, cavacos com e sem o biotratamento foram
processados em refinadores industriais com capacidade de refinação aproximada de
6,6 ton/h. A Figura 2, que possui o consumo de energia durante a refinação, mostra
a redução energética durante a polpação termomecânica e quimiotermomecânica
com cavacos biotratados, BTMP e BCTMP, comparada com a polpação dos cavacos
sem o pré-tratamento, TMP e CTMP.
Figura 2 - Consumo de energia nos discos de refinação (MWH) durante processos de TMP e CTMP,
utilizando cavaco controle e cavaco biopolpado de madeira E. grandis.
Fonte: PAVAN, 2008
Em um experimento seguinte, utilizando o mesmo modo de ampliação de
escala, o cavaco semente foi misturado ao cavaco fresco recém picado, que não
havia passado pela etapa de descontaminação (roscas de aquecimento e
resfriamento). A Figura 3 demonstra a redução no consumo de energia obtida por
tonelada de cavaco seco ao ar (tsa) refinada. Apesar de significativa, a redução foi
inferior àquela observada utilizando-se cavacos descontaminados.
16
Figura 3 - Consumo de energia na refinação do cavaco controle e do cavaco biotratado para os
processos de TMP e BioTMP; CTMP e BioCTMP.
Fonte: PAVAN, 2008
2.3.3 Descontaminação do cavaco
Os ensaios em escala piloto desenvolvidos em Caieiras mostraram que é
difícil estabelecer cultivos dos basidiomicetos de interesse livre de bolores
contaminantes. Isso porque não é simples controlar a assepsia durante a inoculação
e o biotratamento de cavacos em larga escala e em pilhas abertas (CUNHA, 2012;
FERRAZ et al., 2008; MASARIN; FERRAZ, 2008).
Para tentar eliminar esse problema da biopolpação, Cunha (2012) avaliou os
cultivos mistos de Ceriporiopsis subvermispora e Phanerochaete chrysosporium
sobre madeira de Eucalyptus grandis e Eucalyptus urograndis em regimes de
incubação em temperaturas variáveis e em condições não assépticas.
A estratégia adotada por Cunha (2012) foi de iniciar os cultivos em
temperatura mais elevada (37°C) e depois manter as culturas em temperaturas
variáveis de 27°C e 37°C. A ação se mostrou eficiente para inibir o crescimento de
contaminantes indesejáveis tanto nos cultivos mistos como nos individuais de cada
espécie avaliada.
17
2.4 Simulador Aspen Plus®
O simulador Aspen Plus® é um programa de computador comercializado pela
empresa Aspen Tech que auxilia na simulação e modelagem de processos
químicos. Tais simulaçãos são realizadas através da especificação dos fluxos de
matéria, trabalho e calor, e das operações unitárias envolvidas no processo
(MAGNUSSON, 2005).
O programa disponibiliza blocos que simulam várias operações unitárias
empregadas em uma planta, entre eles consta: reatores, trocadores de calor,
separadores, bombas etc. Juntamente com a sua grande base de dados de
propriedades físicas de componentes puros, o processo é criado e os algoritmos de
convergência resolvem equações de balanço de massa e energia do processo
simulado (MAGNUSSON, 2005).
O Aspen Plus é largamente utilizado por indústrias de diversos segmentos,
porém o seu uso é restrito na indústria de celulose devido aos equipamentos
diferenciados que esta indústria emprega.
Muitos trabalhos de simulação de processos com o Aspen Plus®, utilizando
como matéria-prima biomassa, foram desenvolvidos pelo Laboratorio Nacional de
Energias Renovaveis do Estados Unidos (National Renewable Energy Laboratory –
NREL), sendo referência para trabalhos do gênero.
18
3. METODOLOGIA
O presente trabalho foi desenvolvido para avaliar a viabilidade econômica de
operação de uma planta de biopolpação de cavacos de Eucalyptus grandis por
Ceriporiopsis subvermispora, através da inoculação por aspersão ou “semente”.
Foi adotado como base referencial o trabalho apresentado por Pavan (2008).
3.1. Parâmetros para simulação no Aspen Plus®
Um esquema simplificado do processo de pré-tratamento fúngico de cavacos
de madeira para a produção industrial de polpa celulósica a ser reproduzido no
programa de simulação Aspen Plus® versão 8.0 pode ser visto na Figura 4.
Figura 4 - Fluxograma simplificado do processo de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira
Fonte: Elaborada pela autora
O simulador disponibilizou o balanço de massa e energia do processo
simulado, auxiliando o cálculo do custo total da etapa de biotratamento.
Adicionalmente, ele possui uma ferramenta, Activated Economics Analysis, cujo
banco de dados contém características dos principais equipamentos industriais
comercializados que permite identificar os equipamentos mais adequados ao
propósito ou mais similares aos empregados na planta piloto. A ferramenta
possibilita utilizar pelo Aspen Plus® as aplicações do Aspen ICARUS®, produto da
Descontaminação
Inoculação
Cavaco
Água Fungo
Ventilação forçada
Cavaco
biotratado
Resfriamento
Pilha de incubação dos cavacos
19
Aspen Technology destinado à realização de estimativas de custo de capital e
operação na implantação de processos através do mapeamento e dimensionamento
dos equipamentos nele utilizados.
Para o desenvolvimento do modelo de processo no programa Aspen Plus®,
algums parâmetros foram definidos:
Pacote termodinâmico:
NRTL - Non-Random-Two Liquid
Trabalhos desenvolvidos pelo Laboratorio Nacional de Energias Renovaveis
do Estados Unidos (National Renewable Energy Laboratory – NREL) indicam que o
pacote termodinâmico NRTL é o mais apropriado quando se utiliza biomassa.
Lista de componentes:
Cavaco: 100% Celulose (C6H10O5)n
Inóculo: 94% água (H2O); 5% glicose (C6H12O6); 1% uréia (CH4N2O)
Ar: 79% nitrogênio e 21% oxigênio (O2)
Água (H2O)
Outros componentes do cavaco de madeira como hemicelulose e lignina não
estão disponiveis na base de dados do simulador. Logo, a composição do cavaco foi
assumida como sendo formada apenas por celulose. Para uma maior precisão das
propriedades termo-fisicas do cavaco, lignina e hemicelulose podem ser criadas no
simulador através da base de dados desenvolvida pelo Laboratorio Nacional de
Energias Renovaveis do Estados Unidos. As diretrizes para a construção desta base
estão disponiveis no documento “Development of an ASPEN PLUS Physical
Property Database for Biofuels Components”.
O inóculo representa a mistura de fungo Ceriporiopsis suvermispora e
milhocina em água. A composição da milhocina inclui vários carboidratos,
aminoácidos, peptídeos, compostos orgânicos, metais e íons inorgânicos (PAVAN,
2008). Para simplificação, a milhocina é representada no simulador como tendo
composição exclusivamente de glicose e uréia, na proporção mássica de 9:1.
20
Classe de corrente:
A classe de corrente selecionada no simulador foi MIXCISLD, que permite
duas possíveis subcorrentes: a subcorrente CISOLID (Conventional Inert Solid) e a
subcorrente MIXED. Juntas elas permitem a utilização de componentes
convencionais em todas as fases (sólida, líquida ou gasosa).
Seleção dos equipamentos necessários e sua configuração quando
necessária;
Determinação das correntes de entrada e/ou saída, que inclui:
Taxa de alimentação das correntes de entrada (cavaco, água de
cozimento, água de resfriamento, inóculo e ar pré-condicionado)
Temperatura e pressão das correntes;
Umidade do cavaco nas correntes de saída.
.
3.2. Avaliação econômica
Pavan (2008) indicou que a premissa inicial para uma análise econômica
deveria considerar que a economia obtida com a redução do gasto em energia
elétrica deveria ser, no mínimo, suficiente para custear os gastos da etapa de
biotratamento que incluem:
a) produção do inóculo;
b) aditivos de crescimento rápido (e.g. milhocina);
c) mão-de-obra para construção e manutenção da pilha;
d) utilidades (água, vapor, energia elétrica) necessárias na construção e
manutenção da pilha;
e) perda de biomassa (madeira 5%);
f) custo de capital.
As simulações forneceram os gastos com vapor, água e ar para ventilação
utilizados no processo. Outros custos necessários foram obtidos da literatura e
através de agências reguladoras, para o custo de compra da água e eletricidade.
21
4. RESULTADOS
O processo elaborado através do programa de simulação Aspen Plus®,
apresentado na Figura 5, busca simular o processo da etapa de pré-tratamento
fúngico de cavacos de madeira para a produção industrial de polpa celulósica
desenvolvido por Pavan (2008), incluindo algumas alterações baseadas na pesquisa
de Cunha (2012) que buscam inibir o crescimento de contaminantes durante o
período de incubação. Para um maior detalhamento e compreensão do processo,
ele foi dividido em 3 principais unidades: descontaminação, inoculação e incubação.
Foram simuladas diversas taxas de produtividade de cavaco pré-tratado
utilizando esse modelo e, como esperado, verificou-se que a demanda de materiais
e energia são diretamente proporcionais à produtividade. Em função disso, optou-se
por apresentar os dados de simulação apenas com os valores obtidos para uma
produção de 2,2 ton/h, em base úmida, pois foi a escala realizada na planta piloto
desenvolvida por Pavan (2008). De qualquer forma, esta escala permite a
compreensão da origem dos custos do biotratamento, gerando dados extrapoláveis
para custo final do processo em R$/ton.
A seguir, será apresentado o detalhamento operacional de cada unidade do
processo, juntamente com a descrição dos equipamentos sugeridos para a
implantação real da planta.
Todos os materiais foram considerados disponíveis em temperatura ambiente,
25ºC e sob pressão atmosférica, 1 atm.
22
Figura 5 - Processo de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira para a produção industrial de polpa celulósica desenvolvido no Aspen Plus®
Fonte: Elaborada pela autora
Descontaminação Inoculação Incubação
23
4.1 Etapa de descontaminação
A etapa de descontaminação consiste no aquecimento do cavaco seguido
pelo seu resfriamento com água. Para uma produção de 2,2 ton/h de cavaco
biotratado, contendo umidade de 75%, é necessária uma corrente inicial de 1,3 ton/h
de cavaco seco (CAVACO), cuja umidade é de aproximadamente 11%, e 14473,12
L/h de água (AGUA1). Os valores foram calculados a partir da proporção entre
cavaco e água utilizada em laboratório para a descontaminação, que é de 2kg de
cavaco e água suficiente para completar um biorreator com capacidade de 18L. O
tratamento do cavaco com água ocorre à temperatura de 80ºC durante 30 minutos
em um tanque agitado (MIXER1). O simulador informou a necessidade de 1491,29
kg de vapor/h para manter a temperatura de cozimento.
A mistura de cavaco com água (M1) segue para a separação em uma
centrífuga de decantação (ROSCA1) que simula uma rosca desaguadora e estaria
preferencialmente posicionada na saída de fundo do tanque. O cavaco úmido
(CAVACO1) segue então para um segundo tanque (MIXER2) para ser resfriado com
água (AGUA2) em quantidade suficiente para reduzir a temperatura a 45ºC,
1850L/h, valor calculado pelo simulador.
A nova mistura de cavaco com água (M2) segue para separação em uma
segunda centrífuga de decantação (ROSCA2) onde o cavaco descontaminado
(CAVACO2) sai com umidade aproximada de 60%.
A Figura 6 indica os equipamentos pertencentes ao cozimento e resfriamento
separadamente.
Figura 6 – Etapa de descontaminação
Fonte: Elaborada pela autora
Cozimento Resfriamento
24
A água descartada do processo (AGUA-R1 e AGUA-R2) poderá ser utilizada
em outras necessidades industriais. Este trabalho avaliou economicamente o
emprego do biotratamento nos casos em que há ou não a reutilização da água, itens
4.4.1 e 4.4.2.
Equipamentos sugeridos:
Tanque agitado (MIXER1)
O tanque, ilustrado na Figura 7, precisará ser encamisado para aquecer e
manter a mistura de cavaco e água a temperatura de tratamento, 80ºC, e ser agitado
para promover a dispersão do calor.
Figura 7 – Estrutura de um tanque agitado
Fonte: ASPEN, 2012
Centrífuga de decantação (ROSCA1 e ROSCA2)
A centrifuga de decantação, ilustrada na Figura 8, terá a finalidade de simular
uma rosca desaguadora, amplamente utilizada na indústria de produção de celulose
e inexistente no banco de dados de equipamentos do Aspen Plus®. Ela é constituída
por um rotor, formado por um cilindro com duas regiões (cilíndrica e cônica), e por
uma rosca central que rotaciona no interior do cilindro. O cilindro e e a rosca giram
com alta velocidade de rotação, porém com velocidades diferentes que propicia a
separação.
A mistura sólido/líquido entra no equipamento através de uma alimentação
25
central no interior do eixo da rosca e flui para a área de separação, dentro da parte
cilíndrica, através de orifícios no corpo da rosca.
Devido a rotação, o líquido flui em espiral para a região de transbordamento
através dos canais formados pelas lâminas da rosca e em contra fluxo, o sólido é
transportado no sentido da região da região cônica para a sua descarga.
Figura 8 – Centrifuga de decantação
Fonte: ASPEN, 2012
4.2. Etapa de inoculação
A unidade de inoculação, destacada na Figura 9, poderá ser por aspersão ou
“semente”. Ela consiste da mistura do cavaco descontaminado com inóculo por
aspersão ou com uma fração de cavacos previamente tratados com o fungo.
A inoculação por aspersão consistirá na mistura do cavaco descontaminado
(CAVACO2) com o inóculo preparado (INOCULO). O inóculo possui uma vazão de
360L/h contendo 11 g/h do fungo Ceriporiopsis subvermispora, 22 kg/h de milhocina
e composição restante de água. Sugere-se a utilização de uma rosca transportadora
simples atuando como misturador (MIXER3) assim como foi empregado na planta
piloto.
Para o caso de inoculação por “semente”, a alimentação (INOCULO) será o
cavaco previamente tratado em laboratório ou originado por este modelo de
processo mas com inoculação por aspersão. Para este tipo de inoculação poderá
ser empregado um misturador do tipo cone duplo rotativo, MIXER3.
26
Figura 9 – Etapa de inoculação
Fonte: Elaborada pela autora
Equipamento recomendado
Misturador - Cone duplo rotativo (MIXER2)
A Figura 10 demontra um misturador do tipo cone duplo rotativo, muito utilizado
na mistura de sólidos.
Figura 10 – Estrutura de um misturador – cone duplo rotativo
Fonte: ASPEN, 2012
4.3. Etapa de incubação
A incubação ocorre na pilha de cavaco formada, Figura 11. No simulador ela
é representada por um secador de sólidos para que se possa estimar o fluxo de ar
necessário para manter a sua temperatura entre 37ºC e 27ºC por 30 dias. A saída
CAVACO-P representa o cavaco biotratado, pronto para ir ao refino.
O cavaco inoculado (M3) é mantido na pilha com ventilação forçada de 1850
m³/h de ar pré-condicionado, valor calculado pelo simulador.
27
Figura 11 – Etapa de inoculação
Fonte: Elaborada pela autora
Equipamentos adicionais
Durante todo o processo há a necessidade de transportar os cavacos de
madeira de um equipamento ou local para outro. Essa transferência poderá ser feita
através de roscas ou esteiras transportadoras.
Rosca transportadora
Esse tipo de rosca transporta sólidos na horizontal ou em um plano inclinado.
O equipamento inclui um motor e uma rosca helicoidal presente na calha em forma
de U. A capacidade de transporte do parafuso diminui à medida que o ângulo de
inclinação aumenta.
Com a rotação do parafuso, o material é movido para a frente. Roscas
transportadoras são baratas e de fácil manutenção. Sua estrutura está ilustrada na
Figura 12.
Figura 12 – Rosca transportadora
Fonte: ASPEN, 2012
28
Esteira transpostadora
Esteiras transportadoras abertas são muito utilizadas no transporte de
materiais sólidos em longas distâncias. Uma vez que o material da esteira é
borracha, esta não é utilizada no transporte de materiais a temperaturas superiores
a 65 ° C. A estrutura básica de uma esteira transpostadora está presente na Figura
13.
Esteiras são utilizadas para transportar sólidos horizontalmente ou em plano
inclinado. A cinta pode ser plana, mas tipicamente possui um vale, a fim de
aumentar a capacidade de transporte.
Figura 13 – Esteira transportadora
Fonte: ASPEN, 2012
4.4. Avaliação econômica
Estão presentes nas Tabelas 1 e 2 os preços dos materias utilizados no
processo de pré-tratamento.
Tabela 1 - Preços de algumas utilidades e materiais usados no biotratamento.
Material $/(ton de cavaco
processada)
$/(ton de material)
Cavaco* 80,00
Milhocina + Fungo * 2,00
Vapor **
4,16
Pré condicionamento do ar*** 0,72 Fonte: (*) (SCOTT et al., 2002)
(**) Dados obtidos no banco de dados do Aspen Plus V8.0 (***) (SCOTT et al., 1998)
29
O tipo de vapor selecionado para a simulação foi o “LP Steam”, vapor com
baixa pressão, que aquece o agitador encamisado na etapa de descontaminação
com uma temperatura de entrada e saída de 125ºC e 124ºC, respectivamente.
Tabela 2 – Tarifas médias de água e eletricidade praticadas em São Paulo no ano de 2014.
Preço médio para uso industrial
Preço médio na venda por
atacado
Água (R$/m³)* 10,36 1,48
Eletricidade (R$/MWh)** 249,00 164,00 Fonte: (*) ARSESP, 2014
(**) ANEEL, 2014
Para o uso industrial de água e eletricidade, há duas opções de tarifas
utilizadas por fornecedores. A tarifa depende basicamente do tipo de venda
estabelecida, podendo ser por atacado, onde a indústria compra uma grande
quantidade por um preço fixo, ou por consumo, quando a indústria paga pela
quantidade consumida com preço tabelado do tipo “uso industrial”.
A seguir, o trabalho apresenta o custo final do biotratamento, com base nas
tarifas mencionados para o caso onde há ou não o reciclo da água utilizada no
bioprocesso. O custo final não inclui os custos envolvidos com o tratamento da água
para um apropriado descarte ou reutilização.
4.4.1. Biotratamento sem o reciclo de água
Desconsiderando a reutilização da água utilizada no processo, as Tabelas 3,
4 e 5 disponibilizam os custos parciais e totais relacionados ao processamento de
2,2 ton/h de cavaco de madeira. O item “cavaco” presente nas tabelas refere-se ao
custo da perda de biomassa (5%).
30
Tabela 3 – Custo do biotratamento excluindo os gastos com água e eletricidade
Produtividade 2,2 ton/h
kg/h $/h $/ton
Cavaco 65,01 5,20 2,36
Milhocina 22 4,40 2,00
Fungo 0,011
Vapor 1491,29 6,20 2,82
Ar 2366,72 1,58 0,72
Total ($) 17,39 7,90
Total (R$) 43,47 19,76
Tabela 4 – Custo com água e eletricidade utilizados no biotratamento que não inclui o reciclo de água
Produtividade 2,2 ton/h
Custo médio em compra
com preço industrial (R$/h)
Custo médio em
compra por atacado (R$/h)
Água (m³/h) 16,66 172,61 24,61
Eletricidade (kWh) 112,2 27,94 18,40
1 ton (R$/ton) (R$/ton)
Água (m³/ton) 7,57 78,46 11,19
Eletricidade (kWh/ton) 51 12,70 8,36
Foi adotado o gasto energético de 51 kWh/ton de cavaco processado, como
estimativa para a eletricidade gasta com o uso dos equipamentos presentes no
processo. Tal valor foi empregado por Scott (1998) na avaliação econômica de sua
planta piloto de estudo.
Tabela 5 – Custo final em R$/h do biotratamento de cavaco de madeira a uma produção de 2,2 ton/h (sem reciclo de água).
Eletricidade
(Preço industrial)
Eletricidade
(Preço por atacado)
Água (Preço industrial) 244,02 234,49
Água (Preço por atacado) 96,02 86,48
Devido a diferença de tarifas cobradas pela água e eletricidade, 4 cenários
foram avaliados para mostrar como a diferença dessas tarifas afetam o custo final do
bioprocesso.
31
Descrição dos cenários:
Cenário I – Água e eletricidade a preço de uso industrial;
Cenário II – Água a preço de uso industrial e eletricidade a preço de compra
por atacado;
Cenário III – Água a preço de compra por atacado e eletricidade a preço de
uso industrial;
Cenário IV – Água e eletricidade a preço de compra por atacado.
Adotando, como exemplo, as tarifas médias de água e eletricidade praticadas
em São Paulo, presentes na Tabela 2, o custo final do pré tratamento fúngico nos 4
cenários está apresentado na Tabela 6.
Tabela 6 - Custo final do pré tratamento fúngico nos diferentes cenários (sem o recilo de água).
Cenário
I II III IV
Cavaco 5,91 5,91 5,91 5,91
Fungo + Milhocina 5,00 5,00 5,00 5,00
Vapor 7,05 7,05 7,05 7,05
Ar 1,80 1,80 1,80 1,80
Água 78,46 78,46 11,19 11,19
Eletricidade 12,70 8,36 12,70 8,36
Custo do pré
tratamento fúngico
(R$/ton) 110,92 106,58 43,64 39,31
($/ton) 44,37 42,63 17,46 15,72
Verifica-se pela Tabela 6 a grande variação do custo final do biotratamento,
estando entre R$39,31/ton e R$110,92 R$/ton. Utilizando-se água a preço de
atacado, Cenário III e IV, o custo final do pré-tratamento fúngico aproximou-se do
valor estimado por Scott (2002) de U$ 14,76/ton. A Figura 14 auxilia na visualização
da participação de cada material ou utilidade na composição do preço final do
biotratamento.
32
Figura 14 – Composição do custo da biopolpação nos diferentes cenários, sem o reciclo de água.
Fonte: Elaborada pela autora
Na Figura 14 é possível perceber como o custo com água e secundariamente
com eletricidade encarece o custo final do biotratamento. A quantidade de água
utilizada é empregada 87% na etapa de cozimento, 11% no resfriamento e 2% no
preparo do inóculo. Caso ela seja reciclada, o custo final do processo de pré-
tratamento será notoriamente reduzido, como mostra o item 4.4.2.
Sabendo que o consumo específico médio de energia elétrica de uma planta
industrial de polpação TMP com opção de funcionamento no regime CTMP é de 816
kWh/ton (Pavan, 2008), a Tabela 7 demonstra como poderá variar a economia em
energia de acordo com o preço da energia elétrica e o percentual de redução que o
biotratamento proporcionou.
Tabela 7 – Redução no custo de produção de polpas dependo da economia de energia gerada pela biotramento
Energia elétrica ao custo de R$
164/MWh
Energia elétrica ao custo de R$
249/MWh
Consumo de energia elétrica kWh/ton 816 816
Economia de energia elétrica 10 - 30% kWh/ton 81,6 244,8 81,6 244,8
Economia estimada (R$/ton) 13,38 40,15 20,32 60,96
,
,
,
,
,
,
,
- -
- -
33
Para a implantação do pré-tratamento fúngico ser considerada lucrativa, este
deverá apresentar um benefício econômico, que pode ser simplesmente expresso
pela equação abaixo:
Beneficio econômico = Economia estimada – Custo da biopolpação
Considerando o custo de energia elétrica de R$164/MWh e R$249/MWh,
variou-se o percentual de economia de energia gerado pelo biotratamento, entre
10% e 30%, para identificar em que condições ele traria benefício econômico.
Curvas apresentadas na Figura 15.
Figura 15 - Benefício econômico devido ao emprego da biopolpação 1. Custo de energia elétrica a R$ 164,00/MWh; 2. Custo de energia elétrica a R$249/MWh (sem o reciclo de água).
Fonte: Elaborada pela autora
Através dos gráficos, pode-se afirmar que não haverá benefício econômico se
a planta de biotratamento utilizar água a preço industrial e não reutilizá-la. Beneficio
econômico ocorrerá apenas quando houver economia de energia gerada pelo
biotratamento acima de 28% e 22%, para o custo de energia elétrica de R$164/MWh
e R$249/MWh respectivamente.
1. 2.
34
4.4.2. Biotratamento com reciclo de água
Para o caso em que a água é reutilizada no próprio processo ou em outra
necessidade industrial e desconsiderando eventuais perdas, apenas 5% da
quantidade inicial necessária para o biotratamento não será recuperável (0,37 ton/h),
pois ela compõe a umidade final da cavaco biotratado.
A Tabela 8 e Figura 16 mostram o custo final do biotratamento e sua
composição, respectivamente. Apenas o custo com água foi alterado para o cálculo
do custo final comparando com o biotratamento anterior.
Tabela 8 - Custo final do pré tratamento fúngico nos diferentes cenários (com o recilo de água).
Cenário
I II III IV
Cavaco 5,91 5,91 5,91 5,91
Fungo + Milhocina 5,00 5,00 5,00 5,00
Vapor 7,05 7,05 7,05 7,05
Ar 1,80 1,80 1,80 1,80
Água 3,80 3,80 0,54 0,54
Eletricidade 12,70 8,36 12,70 8,36
Custo do pré
tratamento fúngico
(R$/ton) 36,26 31,92 33,00 28,67
($/ton) 14,50 12,77 13,20 11,47
Figura 16 – Composição do custo da biopolpação nos diferentes cenários, com o reciclo da água.
Fonte: Elaborada pela autora
35
Utilizando a mesma forma de cálculo de benefício econômico empregada no
biotratemento anterior, através da Tabela 7, porém com o novo custo para a
biopolpação, novos percentuais mínimos de economia de energia para a obtenção
de benefício econômico foram identificados e podem ser verificados nas curvas
apresentadas na Figura 17.
Figura 17 - Benefício econômico devido ao emprego da biopolpação 1. Custo de energia elétrica a R$ 164,00/MWh; 2. Custo de energia elétrica a R$249/MWh (com o recilclo da água).
Fonte: Elaborada pela autora
Através dos gráficos, nota-se que haverá benefício econômico em qualquer
um dos cenários apresentados. A implantação da etapa de tratamento fúngico
resultará em benefício econômico quando este biotratamento gerar uma economia
de energia de no mínimo 24% e 18%, para o custo de energia elétrica de
R$164/MWh e R$249/MWh respectivamente.
1. 2.
36
5 CONCLUSÃO
O trabalho permitiu a criação de um modelo de planta para o processo de
biotratamento no programa Aspen Plus® como previsto, o qual permitiu pelo balanço
de massa e energia estimar o custo final do processo.
Foi observada a grande influência do preço da água no bioprocesso devido a
grande demanda necessária, já que esta é utilizada nas etapas de
descontaminação, resfriamento e preparo do inóculo. Logo, a sua possibilidade de
reutilização é determinante para o processo ser ou não considerado viável
economicamente.
Utilizando o modelo de processo apresentado neste trabalho, conclui-se que a
implantação do bioprocesso, que adere outros benefícios além da redução
energética, apresentará benefício econômico se o cavaco biotratado possibilitar a
redução energética de no minimo: 28%, quando não há reciclo de água e a tarifa de
sua compra for de no máximo R$1,48/m³; ou entre 18% e 24%, para o custo de
energia elétrica entre R$249/MWh e R$164/MWh respectivamente e havendo o
reciclo máximo de água.
No melhor cenário, o bioprocesso que contém o reúso da água e utiliza
energia elétrica ao custo de R$249/MWh, o custo do biotratamento é de R$33,00/ton
ou $13,20/ton.
37
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