Aplicações da Biomassa, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Química

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA

ESCOLA POLITÉCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

BIOMASSA E SUAS APLICAÇÕES

Salvador-BA

INDÍCE

1.INTRODUÇÃO…………………………………………………………………….………

2.PRINCIPAIS BIOMASSAS………………………………………………………….……

2.1. CANA DE AÇÚCAR……………………………………………………………………

2.2.LENHA E RESÍDUOS DE MADEIRA …………………………………………..……

2.3. SOJA ………………………………………………………………………………..……

3.PROCESSOS DE CONVERSÃO ENERGÉTICA DA BIOMASSA ………………...…… 3

3.1.TERMOQUÍMICOS ……………………………………………………………….……

3.1.1 COMBUSTÃO DIRETA ……………………………………………………………

3.1.2.PIRÓLISE ……………………………………………………………………………….

3.1.3.GASEIFICAÇÃO ……………………………………………………………………..

3.2.FÍSICO …………………………………………………………………………………...

3.2.1.DENSIFICAÇÃO ……………………………………………………………………..

3.2.2. REDUÇÃO GRANULOMÉTRICA ……………………………………………………….

3.2.3. PRENSAGEM MECÂNICA ……………………………………………………………..

4. CONCLUSÃO …………………………………………………………………………..

5.REFERÊNCIAS……………………………………………………………………….

2.2 LENHA E RESÍDUOS DE MADEIRA

A lenha é definida como ramos, troncos, achas (tora de lenha, cavaca) de madeira tosca ou qualquer pedaço de madeira que possa ser utilizados como combustível. A produção de lenha pode ser dividida em dois segmentos: a lenha catada e a lenha produzida para fins comerciais. A lenha catada, proveniente de matas nativas parecia uma fonte inesgotável desta biomassa, entretanto, a forma predatória com que a mesma foi explorada causou diversos problemas em inúmeras regiões do país como a degradação do solo, a alteração no regime das chuvas e consequente desertificação. A maior parte da produção nacional é feita através do processo de carbonização, praticada nas carvoarias ainda na forma tradicional, em fornos de alvenaria com ciclos de aquecimento e resfriamento que podem durar vários dias, porém essa atividade ainda hoje é realizada em condições sub humanas, inseguras e de maneira informal. Como o Brasil possui alto potencial florestal, a cadeia produtiva da madeira gera uma grande quantidade de resíduos se considerarmos os processos de transformação primário, secundário e terciário que, quando tratados adequadamente, podem gerar diversos problemas ambientais. Estes resíduos são constituídos pelo material florestal orgânico que sobra na floresta após a colheita, sobras de madeira, com ou sem casca, galhos grossos e finos, entre outros. Como exemplo de produto gerado através da madeira temos o bio-óleo, este é um é uma mistura complexa de compostos oxigenados incluindo ácidos, açúcares, alcoóis, aldeídos, cetonas, ésteres, furanos, fenóis, oxigenados mistos, guaiacóis, seringóis misturados com uma quantidade de água, derivada da umidade do material orgânico, podendo conter cinzas e partículas de carvão dissolvido (FONTES, 2011). A composição do bio-óleo varia de acordo com o tipo de biomassa, com as condições de processo, com a eficiência na separação do carvão, com as condições de condensação e com o equipamento utilizado (SAIDUR, et al, 2011). Para a sua produção, os fragmentos de madeira são aquecidos em uma atmosfera sem oxigênio, um processo conhecido como pirólise e hoje largamente utilizado para a produção de carvão vegetal. Esse processo se caracteriza pela queima e degradação térmica da biomassa (serragem, bagaço de cana-de-açúcar, resíduos agrícolas, casca de arroz, etc.) a temperaturas de 500 °C, na ausência total de oxigênio. Atualmente, um dos maiores desafios da produção do bio-óleo é o desenvolvimento de plantas de pirólise em escala industrial, visando a sua aplicação como combustível para a produção de entalpia e energia elétrica, através de caldeiras, fornos, sistemas de geração estacionária e motores de combustão interna (CORTEZ, et al, 2008)

2.3 SOJA

Apesar de conter apenas 20% de óleo em média, a soja é a matéria-prima oleaginosa mais importante para a indústria de óleos vegetais no Brasil (REGISTANO, M.A.B., 2006). Isso se dá pois a soja é uma biomassa muito usada para a produção de biodiesel, seu óleo é responsável por pelo menos 77% da produção, segundo dados da Associação Brasileira das Indústrias de Óleos Vegetais (Abiove). Além disso, há como subproduto a glicerina, matéria prima de diversos fármacos e cosméticos. A glicerina tem se popularizado muito nos últimos anos devido a obrigatoriedade de mistura do biodiesel no diesel. Vale ressaltar que no período de pandemia devido aos altos preços do diesel (por conta do álcool presente na composição do biodiesel) fez com que fosse reduzido o percentual do bioproduto na mistura. No entanto, ainda há uma tendência de aumento da produção visto que uma das metas do governo é ter 15% do biodiesel na composição do diesel até 2023.

Dessa forma, fica evidente a importância das culturas de soja no país, visto que sua biomassa (além de outros usos) tem diversas aplicações. Dentro delas estão o já citado biodiesel, muito importante para a redução do uso de combustíveis fósseis, sendo um potencial substituto no futuro, já que é uma fonte renovável, diferente dos fósseis. Além dos diversos usos da glicerina, na composição de cápsulas, supositórios, anestésicos, xaropes, antibióticos e antissépticos. É aplicada como emoliente e umectante em cremes dentais, hidratantes para a pele, loções pós-barba, desodorantes, batons e maquiagens.

3.PROCESSOS DE CONVERSÃO ENERGÉTICA DA BIOMASSA

Na produção da biomassa existem diversas fontes para essa produção energética, como os resíduos agrícolas e florestais. Tendo como objetivo aproveitar a energia presente em tais fontes existem diversos processos de conversão, que são classificados, segundo a natureza dos processamentos primários aplicados à biomassa, são eles: termoquímicos, bioquímicos e físicos.

3.1 TERMOQUÍMICOS

A conversão termoquímica ocorre quando a energia “quimicamente armazenada” na biomassa é convertida em calor por meio da combustão, com isso, diversas tecnologias que nos permite converter a biomassa em energia está disponível através da via termoquímica, e sua diferença está associada à quantidade de oxigênio que é fornecido ao processo, resultando nas vias de combustão direta, pirólise e gaseificação (DINKELBACH, 2000).

3.1.1. COMBUSTÃO DIRETA

Primeiro, a combustão direta, onde esta ocorre essencialmente em fogões, fornos e caldeiras. Embora muito prático e às vezes conveniente, o processo de combustão direta é normalmente muito ineficiente. Outro problema da combustão direta é a alta umidade e a baixa densidade energética do combustível (lenha, palha, resíduos etc.), o que dificulta o seu armazenamento e transporte (ANEEL, 2005). Neste processo é fornecida uma quantidade suficiente de oxigênio para se conseguir a combustão completa da biomassa. Como produto dessa queima tem-se um gás de combustão com elevada temperatura composto principalmente por dióxido de carbono (CO2), água (H2O) e nitrogênio (N2).

3.1.2. PIRÓLISE

Já no processo da pirólise, a biomassa é aquecida a altas temperaturas , em uma atmosfera com baixa ou nenhuma presença de oxigênio, resultando em um composto sólido rico em carbono e uma fração volátil composta de gases e vapores orgânicos condensáveis. Através do aumento em etapas da temperatura ocorre a degradação do insumo energético utilizado no processo, tendo como resultados combustíveis sólidos, tal como o carvão vegetal; líquidos, como o óleo pirolítico; e gasosos, como o gás pirolítico. Existem diversos processos de pirólise, sendo os mais antigos a carbonização, normalmente utilizado com madeira, e a destilação seca ou destrutiva, além das técnicas de pirólise conhecidas como rápida, flash e ultra-rápida, com aumento de rendimento de líquidos (bio óleo).

Unidade de gaseificação de biomassa. Fonte- Cimm.com

3.2 FÍSICO

Os processos físicos são aqueles nos quais só a estrutura física da molécula é alterada, ou seja, forma, tamanho, aparência e estado físico, mas que não gere alteração em sua natureza, isto é, na sua composição. Na transformação da biomassa como matéria prima para um produto de maior valor agregado alguns fenômenos físicos são bem comuns, a densificação (secagem), a redução granulométrica e a prensagem mecânica.

3.2.1. DENSIFICAÇÃO

O uso da biomassa passa constantemente por problemas de estocagem, manuseio e excesso de umidade, pensando em diminuir esses problemas é aplicada a densificação. Existem quatro principais formas de densificar a biomassa sendo elas a “peletização”, a "cilindro ou cubos” a “briquetagem” e a “extrusão”. No primeiro método os resíduos de biomassa passam por dentro de um arranjo cheio de orifícios com 0,3 a 1,3 cm de diâmetro, com pressão de, 7 kg/mm³, adquirindo o formato de um cilindro comprido que depois é cortado no comprimento desejado. Já o segundo é uma variação do primeiro que produz peças com um diâmetro maior, entre 2,5 e 5 cm. O terceiro pode-se definir como compactação da biomassa em máquinas específicas que produzirão briquetes de 15 a 250 mm de comprimento por 50 mm de diâmetro. Por fim, temos a extrusão que consiste em uma rosca forçando a passagem da biomassa, sob alta pressão, por uma matriz. Com a densificação é possível um melhor aproveitamento da biomassa já que resíduos de outros processos podem ser compactados e assim reutilizados, além de que os briquetes, por exemplo, retém menos umidade do que a lenha, sendo assim um processo muito útil.

3.2.2. REDUÇÃO GRANULOMÉTRICA

Devido a diversos fatores naturais, a biomassa não possui tamanhos uniformes, porém para determinados processos é necessário que sejam utilizadas partículas com o máximo de proximidade possível no diâmetro, assim é feita uma redução granulométrica. Existem várias formas de fazer essa redução, sendo a mais utilizada a “análise por peneiras padronizadas”. Um número x de peneiras com aberturas de malha consecutivas são usadas para a separação das biomassas, como segue o exemplo na tabela abaixo. Assim, no final do processo os grãos da biomassa que foram sujeitos ao peneiramento estão devidamente separados e poderão ser usados de acordo com o diâmetro necessário para o processo.

3.2.3. PRENSAGEM MECÂNICA

A prensagem mecânica é um processo muito antigo em toda a humanidade e que vem passando por muita evolução ao longo do tempo, seu objetivo é a extração de óleos ou gorduras

vegetais. Atualmente consiste em uma extração mecânica nas chamadas prensas contínuas. Nesses equipamentos, os grãos ou frutos entram em parafusos tipo roscas sem fim que comprimem e movimentam o material para frente. Em sua saída, existe um cone que pode ser regulado de forma a aumentar ou diminuir a abertura para saída do material, o que determina a pressão no interior da prensa. No final deste processo são obtidos dois materiais: a chamada torta, que é a parte sólida resultante da prensagem, e o óleo ou gordura brutos, que podem conter partículas sólidas resultantes da prensagem. ( Ramalho, H. F.; Suarez, P. A. Z., 2013)

3.3 BIOQUÍMICOS

3.3.1 DIGESTÃO ANAERÓBICA

A digestão anaeróbia consiste na atividade de microrganismos, em ambiente com ausência de oxigênio (O2), que convertem matéria orgânica complexa (carboidratos, proteínas e etc) em compostos químicos simples. Os produtos são o biogás, composto principalmente por metano (CH4), hidrocarboneto de alto poder calorífico que pode ser convertido em diferentes formas de energia, gás carbônico (CO2), gás amplamente usado na indústria e um biofertilizante. O processo da biodigestão anaeróbica ocorre de forma natural em vários ambientes com pântanos e estuários e pode ser replicada industrialmente normalmente em biodigestores, centrais tecnológicas que visam aumentar o rendimento e acelerar a decomposição do substrato. Efluentes urbanos e dejetos bovinos e suínos são substratos comumente usados, a vinhaça (resíduo gerado em grande quantidade na produção do álcool da cana-de-açúcar) também tem potencial para ser usado como substrato. Esse processo ocorre em quatro etapas diferentes: Hidrólise, acidogênese, acetogênese e a metanogênese. Etapas da Biodigestão (SOARES, et al, 2017)

3.3.2 FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA

Processo usado tanto na produção de bebidas alcoólicas quanto do etanol combustível no ambiente industrial o substrato, que pode ser por exemplo suco da uva para a produção de vinho, caldo da cana-de-açúcar, da beterraba ou do milho para produzir etanol combustível, sofre a ação de

CORTEZ, Luís Augusto Barbosa, LORA, Electo Eduardo Silva, GÓMEZ, Edgardo Olivares, 2008, Biomassa para Energia. 1 ed. Campinas, Editora da Unicamp. FERNANDES, Alexsander. Estudo da viabilidade da produção de bioóleo a partir do processo de pirólise rápida do bagaço da cana-de-açúcar. 2013. Disponível em -2013_AlexssanderFernandesRochaCostadeSouza.pdf (unb.br), aceso em 12 de maio de 2021 FONTES, Lúcio Ângelo de Oliveira. Tese de Doutorado. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal, Brasil, maio 2011 GRASEL, F. S. et al, 2017 Inovação em Biorrefinarias I. Produção de Etanol de Segunda Geração a partir de Capim-Elefante (Pennisetum purpureum) e Bagaço de Cana-de-Açúcar (Saccharum officinarum). Revista Virtual de Química, v. 9, n. 1, p. 4-14. MEGER, Felipe Ravache; HELM, Cristiane Vieira; HANSEL, Fabrício Augusto,2014. Caracterização química de quatro espécies de eucalipto para produção de bioetanol. In: Embrapa Florestas-Resumo em anais de congresso (ALICE). In: EVENTO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DA EMBRAPA FLORESTAS, 13., 2014, Colombo. Anais. Colombo: Embrapa Florestas, 2014. PACHECO, Thályta Fraga, 2011. Produção de etanol: primeira ou segunda geração?. Embrapa Agroenergia-Circular Técnica (INFOTECA-E ). Ramalho, H. F.; Suarez, P. A. Z. Revista Virtual da Química , 2013 REGISTANO, M.A.B. O processamento industrial do óleo vegetal e do farelo, 2006 SAIDUR, R. et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews: A review on biomass as a fuel for boilers. Elsevier, v. 15, p. 2262–2289, 2011. SOARES, Caroline Monique Tietz; FEIDEN, Armin; TAVARES, Sidnei Gregório, 2017. Fatores que influenciam o processo de digestão anaeróbia na produção de biogás. Revista Nativa, v. 5, p. 509-514. STEIN, Jacson Eduardo Schmitt, 2021. Estimativa de produção de álcool de segunda geração à partir de plantas de cobertura de solo.