UNIVERSIDADE DE SANTA CRUZ DO SUL UNISC PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL MESTRADO

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1 UNIVERSIDADE DE SANTA CRUZ DO SUL UNISC PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL MESTRADO ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM GESTÃO E TECNOLOGIA AMBIENTAL Amaro de Azevedo AVALIAÇÃO DE CICLO DE VIDA NA PRODUÇÃO DE BIOETANOL A PARTIR DE DEJETO DE GADO CONFINADO Santa Cruz do Sul 2015

2 Amaro de Azevedo AVALIAÇÃO DE CICLO DE VIDA NA PRODUÇÃO DE BIOETANOL A PARTIR DE DEJETO DE GADO CONFINADO Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Tecnologia Ambiental Mestrado, Área de Concentração em Gestão e Tecnologia Ambiental, Universidade de Santa Cruz do Sul UNISC, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Tecnologia Ambiental. Orientador: Profa. Dra. Rosana de Cássia Souza Schneider Santa Cruz do Sul 2015

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4 AGRADECIMENTOS A minha família, esposa Lilia e filhos Nathalia, Matheus e Thomas, que tanto me incentivaram à realização desta etapa. A Professora Doutora Rosana de Cássia Schneider, minha orientadora, pela confiança na realização deste trabalho e pelas contribuições que engrandeceram este estudo. A Professora Doutora Adriane Lawisch Rodriguez, minha orientadora no estágio de docência, etapa importante que enriqueceu muito minha experiência como docente. A todos os professores do Programa de Pós-graduação em Tecnologia Ambiental da UNISC pelo empenho que nos foi dedicado. A CAPES Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, pela concessão da bolsa de estudos. Aos Colegas de curso, em especial, aos amigos Marcondes Mafaciolli Pacheco e Adan William Trenti, pela amizade e parceria. Aos bolsistas Mateus Silva Szarblewski e Francesca Fornasier pela incansável ajuda nas atividades laboratoriais. A Raquel Peterman, secretária do Programa de Pós-graduação e a Michele Junkherr Rodrigues funcionária do laboratório de cromatografia pela disponibilidade em ajudar sempre. A minha cunhada Luzia e esposo Bruno Ghisleni, minha afilhada Brunieli e Felipe pelo carinho e a hospitalidade. Agradeço também a minha cunhada Rosânge pelo apoio recebido. Agradeço a Deus por tudo isso.

5 RESUMO O consumo de combustíveis de origem fóssil vem aumentando significativamente a cada ano, assim como os danos ambientais provocados pelas inúmeras substâncias lançadas ao meio ambiente por estes processos. Biocombustíveis podem ter uma contribuição significativa na redução desses danos ambientais. A produção de bioetanol, ou etanol lignocelulósico, pode ser uma alternativa frente aos combustíveis fósseis e de grande relevância estratégica para o Brasil. Neste contexto, estudou-se a avaliação de ciclo de vida (ACV) da produção de etanol de dejeto de gado confinados. Estes dejetos são uma biomassa rica em celulose que pode ser convertida a glicose e outros açúcares fermentáveis e destes à bioetanol. Para tanto considerou-se uma Unidade Funcional de processamento de kg de dejeto. A metodologia aqui utilizada está baseada nas recomendações da série ISO e emprega o método EcoIndicator 99, através das bibliotecas EcoInvent, do software SimaPro versão Foram consideradas as seguintes categorias de impacto: cancerígenos, orgânicos e inorgânicos inaláveis, mudanças climáticas, radiação, camada de ozônio, ecotoxicidade, acidificação/eutrofização, uso do solo, minerais e combustíveis fósseis. Para avaliação de danos ambientais estas categorias foram agrupadas em três categorias de danos: danos à saúde humana, danos aos ecossistemas e danos aos recursos naturais. Os resultados estão dispostos em um Inventário de Ciclo de Vida (ICV), Avaliação de Ciclo de Vida (ACV) e discussão dos resultados para propor modificações no processo que contribuam para redução dos impactos ambientais. De acordo com o estudo realizado verificou-se que o insumo de processo que mais contribuiu na ACV foi o consumo de energia, resultando em maior impacto ambiental na categoria cancerígenos, agrupada na categoria de danos à saúde. Os danos identificados para cada categoria foram: categoria Danos à Saúde Humana, com 2, DALYs correspondendo a 948 mpt (em pontuação única); categoria Danos aos Ecossistemas com 4, PDF*m2yr correspondendo a 3,95 mpt; e categoria Danos aos Recursos Naturais com 4, MJ excedente correspondendo a 16,4 mpt. Palavras-chave: bioetanol lignocelulósico, ACV, impactos ambientais, dejeto animal

6 ABSTRACT LIFE CYCLE ASSESSMENT OF THE BIOETHANOL PRODUCTION FROM FEEDLOT CATTLE MANURE The consumption of fossil fuels have been increasing significantly every year as well as environmental damages caused by many substances released to the environment by these processes. Biofuels can have a significant contribution in reducing environmental damage. The production of bioethanol, or lignocellulosic ethanol, may be an alternative regarding fossil fuels and it also has an strategic importance for Brazil. In this context, It was studied the Life Cycle Assessment (LCA) of bioethanol production from feedlot cattle manure. Manures are rich in cellulose biomass and they can be converted to glucose and other fermentable sugars as well as converted to bioethanol. For this purpose, it was considered one Functional Unit of processing 1,000 kg of manure. The methodology employed is based on the recommendations of the ISO series and use the 99 EcoIndicator method through the Ecoinvent libraries, from the SimaPro software version It was assessed the following impact categories: carcinogenic, organic and inorganic inhalable, climate change, radiation, ozone layer, ecotoxicity, acidification / eutrophication, land use, minerals and fossil fuels. The evaluation of environmental damage was accomplished by grouping the impact categories in three categories of damage: damage to human health, damage to ecosystems and damage to natural resources. The results are shown in a Life Cycle Inventory (LCI), Life Cycle Assessment (LCA) and it was discussed and proposed changes in the process in order to reduce environmental impacts. According to the research, it was found that the input process that have most contributed in the LCA was the energy consumption, resulting in higher environmental impact in the impact category "carcinogenic" from the category of "damage to human health". The damages identified for each category were 2.79 x 10-5 DALYs for damage to human health, that corresponding to 948 mpt; 4.51 x 10-2 PDF*m2yr ecosystem damages that corresponding to 3,95 mpt; and 4, MJ for natural resources damages, that corresponding to 16,4 mpt. Keywords: bioethanol lignocellulosic, LCA, environmental impacts, manure

7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Teor de Matéria Seca (MS), Energia Metabolizável (EM) e Proteína Bruta (PB) na formulação de ração para bovinos confinados Tabela 2 - Resumo das vantagens e desvantagaens dos vários processos de Pré-tratamento da biomassa Tabela 3 - Equipamentos para produção de bioetanol de dejetos de gado confinado Tabela 4 - Fatores de normalização e ponderação determinados por SimaPro Tabela 5 - Dados para ACV Secagem do dejeto de gado confinado Tabela 6 - Dados para ACV Moagem do dejeto de gado confinado Tabela 7 - Insumos para o pré-tratamento ácido do dejeto bovino em base seca Tabela 8 - Dados para ACV Pré-tratamento ácido do dejeto de gado confinado Tabela 9 - Dados para ACV - Separação da fase sólida pré-tratada Tabela 10 - Ingredientes e materiais incluídos no estudo de ACV da celulase Tabela 11 - Impactos ambientais induzidos pela produção da enzima Spirizymes Plus FG considera na ACV em substituição a Enzima Cellic CTec 2 utilizada na hidrólise enzimática Tabela 12 - Substâncias e variáveis de processo da etapa tratamento enzimático Tabela 13 - Dados para ACV Tratamento enzimático de dejetos de gado confinado Tabela 14 - Composição do mosto e variáveis para a fermentação de dejetos de gado confinado Tabela 15 - Dados para ACV no processo de fermentação do hidrolisado enzimático obtido a partir de dejetos de bovinos confinados Tabela 16 - Materiais e energia para o processo de destilação Tabela 17 - Dados para ACV Destilação do etanol produzido pela fermentação do hidrolisado do dejeto de gado Tabela 18 - Resumo da ACV para bioetanol a partir de dejetos de gado confinado Tabela 19 - Parâmetros estatísticos por categoria de impacto para um Intervalo de Confiança de 95% Tabela 20 - Parâmetros estatísticos por Categoria de dano para um Intervalo de Confiança de 95% Tabela 21 - Resumo das propostas de modificações nas etapas do processo em escala piloto (Cenário 1)

8 Tabela 22 - Resumo das propostas de modificações nas etapas do processo em escala piloto Tabela 23 - Composição do dejeto de gado confinado Tabela 24 - Caracterização de impactos ambientais por categoria de impacto ambiental Tabela 25 - Impactos ambientais em pontuação única por categoria de impacto Tabela 26 - Avaliação de danos ambientais por categoria de danos ambientais Tabela 27 - Ponderação de danos ambientais por categoria de danos Tabela 28 - Parâmetros estatísticos gerados pela Simulação de Monte Carlo Cenário

9 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Fórmula estrutural da celulose Figura 2 - Estrutura esquemática da composição molecular de materiais lignocelulósicos. Adaptado de (Vancov, 2008; Wyman e Yang, 2009) Figura 3 - Composição da Lignina: (a) guaiacila, (b) siringila, (c) p-hidroxifenila Figura 4 - Processos produção de enzimas, sacarificação e Fermentação. Adaptados de (Hamelinck et al., 2005) Figura 5 Fluxograma do processo de produção de bioetanol a partir de dejeto de gado confinado Figura 6 Fronteira do Sistema proposto para a produção de bioetanol a partir de dejeto de gado confinados Figura 7 - Produção de bioetanol lignocelulósico considerando o processo de sacarificação e fermentação separado SHF Figura 8 Caracterização de impactos ambientais no processo de secagem da biomassa Figura 9 - Pontuação única para as categorias de impacto avaliadas na secagem da biomassa Figura 10 - Caracterização de impactos ambientais no processo de moagem da biomassa Figura 11 Pontuação única para as categorias de impacto avaliadas na moagem da biomassa Figura 12 - Caracterização de impactos ambientais no processo de prétratamento da biomassa Figura 13 - Pontuação única para as categorias de impacto avaliadas no prétratamento da biomassa Figura 14 - Caracterização de impactos ambientais no processo de separação da fase sólida pré-tratada Figura 15 - Pontuação única para as categorias de impacto avaliadas na separação da fase sólida pré-tratada Figura 16: Principais etapas do processo de produção da enzima Spirizymes Plus FG da Novozymes. Fonte: (Nielsen et al., 2007) Figura 17 - Caracterização de impactos ambientais no processo de tratamento enzimático de dejetos de gado confinado Figura 18 - Pontuação única para as categorias de impacto avaliadas no tratamento enzimático Figura 19 - Caracterização de impactos ambientais no processo de fermentação de dejetos de gado confinado Figura 20 - Pontuação única para as categorias de impacto avaliadas no processo de fermentação

10 Figura 21 - Caracterização de impactos ambientais na destilação do mosto fermentado Figura 22 - Pontuação única para as categorias de impacto avaliadas no processo de destilação Figura 23 Caracterização de impactos ambientais no processo de obtenção de bioetanol lignocelulósico a partir de dejeto de gado confinado Figura 24 Avaliação de danos ambientais no processo de obtenção de bioetanol lignocelulósico a partir de dejeto de gado confinado Figura 25 Pontuação única de impactos ambientais no processo de obtenção de bioetanol lignocelulósico a partir de dejeto de gado confinado Figura 26 - Análise de incerteza, em pontuação única, para a produção de bioetanol a partir de dejeto de gado confinado Figura 27 Comparação por categoria de impacto na produção em escala piloto antes (Cenário 1) e depois (Cenário 2) das proposições de mudanças no processo Figura 28 Comparação por categoria de danos em escala piloto antes (Cenário 1) e depois (Cenário 2) das proposições de mudanças no processo Figura 29 - Comparação por pontuação única na produção de bioetanol escala piloto antes (cenário 1) e depois (cenário 2) das proposições de mudanças Figura 30: Comparação entre os cenários após análise de incertezas... 94

11 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo geral Objetivos específicos REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Matrizes energéticas Composição da biomassa lignocelulósica Biomassa como fonte de energia Produção de biomassa através do confinamento de gado Produção de etanol Produção de bioetanol lignocelulósico Pré-tratamentos Hidrólise enzimática Fermentação alcoólica Estratégias para sacarificação e fermentação Destilação Indicadores Ambientais Inventário do ciclo de vida (ICV) Avaliação de ciclo de Vida (ACV) Categorias de Impacto por Métodos de Avaliação Classificação, Caracterização, Normalização e Ponderação de dados para ACV Uso da simulação de Monte Carlo para avaliar os dados da ACV Limitações da metodologia ACV Aplicação de ACV na área de biocombustíveis METODOLOGIA ICV da produção de bioetanol a partir de dejeto de gado confinado ACV na produção de bioetanol a partir de dejeto de gado confinado RESULTADOS E DISCUSSÕES ICV da obtenção de bioetanol a partir de dejetos de gado confinado Secagem da biomassa Moagem da biomassa Pré-tratamento ácido... 60

12 5.1.4 Separação da fase sólida pré-tratada Tratamento Enzimático Fermentação Destilação ACV na produção de bioetanol a partir de dejeto de gado confinado Prognósticos ambientais Conclusões REFERENCIAS... 98

13 1 INTRODUÇÃO Em um contexto geral, esta pesquisa vem ao encontro das preocupações com o aquecimento global, o declínio da previsão das reservas mundiais de petróleo, a demanda crescente por produtos de petróleo, incapacidade de proteger as linhas de abastecimento e preços recordes de petróleo bruto. Estes são os principais indutores para investir em inovação e desenvolvimento na área de biocombustíveis. Bioetanol a partir de matérias-primas residuais é considerado um complemento adequado, e combustível substituto adequado para aumentar a sustentabilidade dos processos produtivos e de transporte. No entanto, o etanol de primeira geração hoje produzido, apesar de ter grandes vantagens, é insustentável a longo prazo, porque além de se chocar drasticamente com a produção de alimentos em alguns países, não diminuem nos níveis necessários, as emissões de gases de efeito estufa. Estas deficiências podem ser dirimidas através da produção de bioetanol a partir de matérias-primas lignocelulósicas, como resíduos agrícolas e florestais. Hoje no Brasil a produção de etanol a partir de cana-de-açúcar já está integrada a produção de etanol a partir de bagaço de cana. Internacionalmente, a pesquisa está em andamento visando significativo avanço tecnológico no processo de conversão e estimativas de custos mais precisos para a produção de etanol lignocelulósico. Para o aproveitamento de outros resíduos vegetais, existem inúmeras iniciativas, empregando métodos convencionais e busca de melhorias, com uso de tratamento químico (ácido ou alcalino), microrganismos selecionados e enzimas. Até mesmo, com biomassas tradicionais ainda existem dúvidas de qual é o melhor caminho que leve a uma boa eficiência e baixo custo. Para isso é preciso prétratamento adequado, enzimas eficientes na conversão e que sejam rápidas e baratas. Assim, as inovações na área, consideram matérias-primas que vão além do bagaço de cana-de-açúcar, incluindo diversas culturas e resíduos industriais, buscando o desenvolvimento ao alcance de um menor custo e maior produtividade. Muitos estudos estão sendo realizados, tanto no Brasil como no exterior para utilização de diferentes biomassas para produção alternativa de biocombustíveis, 12

14 tais como, resíduos da colheita de cereais e da produção animal (Roy et al., 2012; Mabee e Saddler, 2010; Wiloso et al., 2012). Nesta dissertação tem-se a continuidade do estudo realizado em 2013 em um projeto entre o Brasil e a Austrália para otimizar a produção de etanol a partir de dejeto de gado confinado *. Confinamento de bovinos gera grande quantidade de dejetos que se não forem adequadamente manejados, podem gerar uma grande carga poluidora. Caso esses resíduos sejam arrastados e atinjam os cursos hídricos, a sua alta DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio) irá reduzir o teor de oxigênio da água, provocando a morte de peixes e outros organismos. Além disso, a presença de nutrientes como N, P e K estimula o crescimento de plantas aquáticas, podendo provocar a eutrofização do meio hídrico. A biomassa dejeto de gado confinado contém material lignocelulósico não digerido e sua composição depende da dieta alimentar. Bovinos convertem apenas 30 a 40% do alimento ingerido em produção (Kozen e Alvarenga, 2005). Os dejetos bovinos em sistemas confinados podem ser facilmente separados. Estes animais confinados podem produzir 40 kg de fezes e 40 kg de urina por cabeça diariamente e os semi-confinados 15 e 20 Kg, respectivamente (Souza, 2005). No Rio Grande do Sul o rebanho de bovinos em 2007 era de cabeças (6,8% da produção nacional) e o nacional cabeças. A produção brasileira em 2013 foi de cabeças, correspondendo a um aumento de 3% em relação ao ano anterior. Destas, um milhão foram produzidas em confinamento, não considerando o gado leiteiro, que na condição confinado ou semi- * O projeto em que esta dissertação está vinculada foi realizado em parte entre o Brasil e a Austrália em 2013 e foi dado continuidade com a Avaliação de Ciclo de Vida (ACV) do processo otimizado naquele período. Para a ACV os dados foram inventariados conforme a metodologia realizada em laboratório na Austrália com repetição no Brasil para definir os parâmetros faltantes para a análise no software Simapro versão Com base nos experimentos repetidos em escala laboratorial no Brasil e as condições definidas na Austrália, bem como na avaliação inicial da matéria-prima (dejeto de gado confinado) gerada no Brasil, foi possível propor condições para a produção em uma unidade funcional de 1000 kg de dejeto de gado confinado. A proposição da unidade funcional baseou-se nos equipamentos existentes no comércio de equipamentos piloto nacionais. Portanto, nesta dissertação não serão apresentados os resultados da otimização da produção de etanol e sim, a avaliação do ciclo de vida da produção nas condições otimizadas anteriormente. As condições de produção consideradas estão em um artigo no prelo e no inventário serão apresentadas as informações relativas a tempo, quantidades, energia e emissões de cada etapa que constituirá a ACV. 13

15 confinado tem aumentado, buscando mais produtividade e lucratividade (Abiec, 2013). Como consequência do aumento do rebanho tem-se mais dejetos que exigem cuidados e não podem ser lançados ao solo diretamente. O manejo inadequado dos dejetos pode ser responsável pela poluição do solo devido ao alto teor de matéria orgânica e agentes patogênicos; pela poluição das águas superficiais e subterrâneas devido ao carreamento desse material pelas chuvas e também pela poluição atmosférica devido a emissões de gases com alto potencial de causar efeito estufa (Machado, 2011). A transformação do dejeto de gado confinado em etanol exige operações básicas iniciais, como pré-tratamento ácido, tratamento enzimático, fermentação e destilação. Como se trata de um sistema mais complexo de produção que os convencionais de produção de etanol, uma Avaliação de Ciclo de Vida (ACV) do processo é imprescindível para reconhecer a intensidade e tipos de impactos ambientais. Desta forma, torna-se relevante realizar a ACV a partir de um processo otimizado em escala laboratorial e proposto para escala piloto. 14

16 2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo geral O presente trabalho objetiva avaliar o ciclo de vida da produção de bioetanol lignocelulósico a partir de dejetos de gado confinado, considerando a uma unidade funcional de kg. 2.2 Objetivos específicos - Realizar o inventário da produção de bioetanol a partir de dejetos de gado confinado em escala piloto conforme etapas otimizadas anteriormente em escala laboratorial. - Realizar a ACV da produção de bioetanol a partir de dejetos de gado confinado através do Software SimaPro versão Propor e avaliar as modificações que justifiquem uma diminuição dos danos causados ao meio biótico pelo processo. 15

17 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A disponibilidade de recursos para atender a demanda de energia, bem como a estrutura das fontes energéticas constituem os principais aspectos para analisar os desafios que o Brasil e o outras nações enfrentarão no futuro. A partir da Revolução Industrial ocorreram, além de um crescente crescimento populacional, crescentes mudanças tecnológicas que contribuíram para um elevado consumo de energia e o comprometimento da matriz energética futura. O Etanol vem ganhando mercado em substituição aos combustíveis de origem fóssil. Desta forma muitas pesquisas na área da produção de bioetanol a partir de material alternativo têm surgido, incluindo o uso de material lignocelulósico residual. Estes aspectos e o uso de ferramentas para ACV são apresentados a seguir. 3.1 Matrizes energéticas Matriz energética é o instrumento utilizado para o planejamento energético de um país. Além de exprimir o quadro de geração e consumo de energia é fundamental para se estabelecer políticas que promovam a competitividade. Os dados apresentados em uma matriz energética servem para um planejamento que garanta a disponibilidade de energia, com menores custos e ambientalmente mais sustentável, garantindo a segurança energética (Bueno, 2013). Avaliando a matriz energética brasileira percebe-se que o consumo per capita de energia ainda é muito baixo. Por estimativa, o Brasil consumiu em toneladas equivalentes de petróleo (tep/hab), seis vezes menos do que o consumo nos Estados Unidos que foi de 7,051 tep/hab em Este consumo se deve a eficiência energética e sustentabilidade, as políticas públicas de inclusão social e de redução da desigualdade social com 45% de energia de fontes renováveis, enquanto que a média mundial já em 2007 já era de 14% (Confederação Nacional Da Indústria, 2007; Empresa De Pesquisa Energética, 2013). 16

18 3.2 Composição da biomassa lignocelulósica Biomassa é qualquer matéria de origem vegetal que dispõe de bioenergia e que pode ser processada para fornecer formas bioenergéticas mais elaboradas e adequadas para o uso final. Assim, são exemplos de biomassas a madeira, os resíduos de serrarias, o carvão vegetal, de lixo orgânico, resíduos de cereais e de outros resíduos agropecuários. (Zhang e Smith, 2007). A biomassa lignocelulósica é composta por três frações: polissacarídeos (celulose e hemicelulose) e pela lignina, polímero complexo de grupos metóxi e fenilpropânicos, que mantém as células unidas, além de ácidos e sais minerais (Pandey et al., 2000). A celulose e hemicelulose, que compreendem tipicamente dois terços da massa seca, podem ser hidrolisados para açúcares e, eventualmente, ser fermentados em etanol. Já a lignina não é facilmente hidrolisada para ser utilizada na produção de etanol. (Hamelinck et al., 2005). A composição geral da biomassa lignocelulósica fica em torno de 35 a 50 % de celulose, 20 a 35 % de hemicelulose, 15 a 20 % de lignina e 15 a 20 % de cinzas e outros materiais (Haghighi Mood et al., 2013). A Celulose (C 6 H 10 O 5 ) n, principal constituinte da biomassa lignocelulósica, consiste de uma cadeia linear de D-glicose ligadas por ligações β-(1,4)-glicosídicas. As camadas de celulose são empacotadas juntas de modo a formar as fibrilas de celulose (Li et al., 2010) Figura 1. As microfibrilas de celulose são na sua maioria independentes, mas a ultraestrutura de celulose é em grande parte devido à presença de ligações covalentes, ligações de hidrogênio e forças de Van der Waals. Ligação de Hidrogênio no interior de uma das microfibrilas de celulose determina a linearidade da cadeia, mas ligações de Hidrogênio entre as cadeia pode introduzir ordem (cristalinidade) ou desordem (amorfismo) na estrutura da celulose (Agbor et al., 2011). As hemiceluloses (C 5 H 8 O 4 ) n, localizados em paredes celulares secundárias, são biopolímeros heterogêneos ramificados contendo pentoses (β-d-xilose, α-l- 17

19 arabinose), hexoses (β-d-manose, β-d-glicose, α-d-galactose) e/ou ácidos orgânicos (α-d-glucurônico, α-d-4-o-metil-galacturônico e ácido a-d-galacturónico (Balat et al., 2009; Gírio et al., 2010). Figura 1 - Fórmula estrutural da celulose. As hemiceluloses (C 5 H 8 O 4 ) n, localizados em paredes celulares secundárias, são biopolímeros heterogêneos ramificados contendo pentoses (β-d-xilose, α-larabinose), hexoses (β-d-manose, β-d-glicose, α-d-galactose) e/ou ácidos orgânicos (α-d-glucurônico, α-d-4-o-metil-galacturônico e ácido a-d-galacturónico (Balat et al., 2009; Gírio et al., 2010). As hemiceluloses são relativamente fáceis de hidrolisar devido a sua estrutura amorfa e ramificada, bem como seu peso molecular baixo (Li et al., 2010). Para melhorar a digestibilidade de celulose grandes quantidades de hemiceluloses devem ser removidos porque elas cobrem as fibrilas da celulose limitando sua disponibilidade para a hidrólise enzimática (Agbor et al., 2011), como mostra a Figura 2. As hemiceluloses são relativamente sensíveis às condições de operação, por conseguinte, parâmetros tais como temperatura e tempo de retenção devem ser controlados para evitar a formação de produtos indesejáveis como furfurais e hidroximetilfurfurais capazes de inibir o processo de fermentação (Palmqvist e Hahn- Hägerdal, 2000). 18

20 Figura 2 - Estrutura esquemática da composição molecular de materiais lignocelulósicos. Adaptado de (Vancov, 2008; Wyman e Yang, 2009). A lignina, também presente na biomassa empregada para produção de biocombustíveis, é o terceiro polímero mais abundante na natureza, está presente nas paredes celulares das plantas conferindo rigidez, impermeabilidade e resistência ao ataque microbiano e ao stress oxidativo. A lignina é uma rede heteropolimérica amorfa contendo unidades de fenilpropano sintetizadas a partir de precursores fenilpropanóides. A grande unidade de fenilpropano da lignina consiste principalmente de guaiacila, siringila e p-hidroxifenila (Figura 3) que estão ligados entre si por um conjunto de ligações compondo uma matriz complexa (Demirbas, 2008; Agbor et al., 2011). Devido à sua íntima associação com as microfibrilas da celulose, a lignina é identificada como um importante impedimento à hidrólise enzimática e microbiológica de biomassa lignocelulósica, pois sua estreita associação com microfibrilas de celulose impede a acessibilidade da enzima. A digestibilidade da biomassa é aumentada com o aumento da remoção de lignina (Draude et al., 2001). 19

21 Figura 3 - Composição da Lignina: (a) guaiacila, (b) siringila, (c) p-hidroxifenila. 3.3 Biomassa como fonte de energia A biomassa é uma fonte de energia limpa e renovável, que pode trazer ganhos ao meio ambiente, a economia e a segurança energética. Esta energia, além de gerar menos emissões atmosféricas que os combustíveis fósseis, reduz a quantidade de resíduos e diminui a dependência dos combustíveis fósseis. (Demirbaş, 2001). Do ponto de vista energético biomassa é todo recurso renovável oriundo de matéria orgânica (animal ou vegetal) que tem potencial para ser utilizada como fonte de geração de energia. A biomassa é uma forma indireta de energia solar, porque, a energia solar é convertida, através da fotossíntese, em energia química. (Agência Nacional De Energia Elétrica, 2012). A biomassa, quando usada como fonte de energia apresenta duas características importantes. Em primeiro lugar, é o único recurso orgânico renovável e um dos recursos mais abundantes; em segundo lugar, biomassa fixa dióxido de carbono na atmosfera através da fotossíntese. O Brasil oferece excelentes condições pra a produção e uso energético da biomassa em larga escala, pois possui uma imensa superfície em regiões tropicais e chuvosa que favorecem a produção de biomassa. Os produtos energéticos obtidos da biomassa vão da produção de etanol até a produção de energia elétrica. (Aneel, 2008). A biomassa como fonte de energia em 2008 já ocupava o segundo lugar na 20

22 participação na matriz energética brasileira, porém representando apenas 3,7 % do montante, enquanto que a energia hidráulica, juntamente com a energia importada representam 85,4 %. 3.4 Produção de biomassa através do confinamento de gado O confinamento de gado é o sistema de criação de bovinos em que lotes de animais são encerrados em piquetes ou currais com área restrita, e onde os alimentos e água são fornecidos com orientação de especialistas da área. (Scholten et al., 2013) No Brasil, este sistema de tratamento também é utilizado na época das secas, ou seja, durante a entressafra da produção de carne, visando alcançar melhores preços no pico destes períodos (Quadros, 2010). Estes ruminantes têm capacidade de coletar, armazenar, processar e aproveitar os alimentos fibrosos que são inadequados ao consumo humano, transformando em substâncias nutritivas para eles. Essa conversão depende da fermentação ruminal realizada por microrganismos que habitam o pré-estômago do animal. No pré-estômago é realizada uma demanda metabólica para hidrolisar e digerir moléculas complexas, como por exemplo, a celulose (Sampaio et al., 2000). A alimentação de bovinos confinados é o principal custo relacionado ao confinamento. Estima-se que 75 a 80 % das despesas envolvidas na alimentação do gado em confinamentos comerciais são os custos com a alimentação. Grãos são utilizados em dietas de confinamento para melhorar o desempenho e a eficiência do confinado pelo aumento da densidade energética da dieta (Richards e Hicks, 2007). Grãos para essas dietas são processados normalmente, por algumas razões, incluindo a melhoria da palatabilidade, alterando o tamanho das partículas, aumentando a digestibilidade, alterando a taxa, local e extensão da digestão, e facilitando a preservação ou armazenamento (Richards e Hicks, 2007). No Brasil, não é comum o uso de dietas de alta concentração energética. Grande parte dos confinamentos realizados no Brasil baseiam-se em porcentagens 21

23 relativamente altas de volumoso, 45 a 70 %, e muitos utilizando bagaço de cana-deaçúcar (Quadros, 2010). Dietas para bovinos confinados incluem alimentos volumosos, concentrados e suplementares. Alimentos volumosos são os que possuem teor de fibra bruta superior a 18 % na matéria seca como: capins verdes, silagens, fenos, palhadas, etc. Alimentos concentrados são os que possuem menos de 18 % de fibra bruta na matéria seca Também podem ser classificados como proteicos, quando possuírem mais de 20 % de proteína na matéria seca e energéticos quando possuírem menos de 20 % de proteína na matéria seca, como milho e farelo de arroz. O balanceamento das rações determinará a relação alimento volumoso/alimentos concentrado. (Cardoso, 1996). A matéria seca (MS) indica qual a percentagem do alimento apresenta nutrientes como carboidratos, proteínas, minerais, etc. Alimentos que apresentam proteína bruta (PB) acima de 16% da matéria seca não devem ser incluídos em proporções maiores que 25% da matéria seca, pois acima disto, causará diarreia e timpanismo aos animais. A energia metabolizável (EM) está associada ao ganho de peso do animal, maiores taxas de ganho de peso requerem maior concentração energética da ração (Cardoso, 1996). A Tabela 1 apresenta a composição básica de alguns alimentos utilizados no preparo de ração para bovinos confinados. Estes nutrientes quando não consumidos ou não digeridos fazem parte do dejeto final da produção de gado. Assim, a alimentação dos bovinos influencia diretamente na composição dos seus excrementos. Aproximadamente 40 % da matéria orgânica ingerida pelos animais são eliminados através dos estercos, o que leva a concluir que os animais alimentados com rações concentradas, ricas em proteínas e sais minerais, produzem esterco mais rico do que os criados no pasto ou apenas com capim de corte (Quadros, 2010). Rebanhos especializados, alimentados técnica e economicamente, manejados num sistema de semi-confinamento, pastoreio controlado ou confinamento total, produzem grandes volumes de dejetos, que serão maiores ainda, conforme for a cama e a higienização das instalações. Para determinar um melhor aproveitamento de dejetos, faz-se necessário o conhecimento do volume de 22

24 esterco diário obtido, a necessidade e facilidade da propriedade para otimização do sistema (Quadros, 2010). Tabela 1 - Compostos Teor de Matéria Seca (MS), Energia Metabolizável (EM) e Proteína Bruta (PB) na formulação de ração para bovinos confinados. Matéria Seca (% MS) Baseado em 100% de MS Energia metabolizável (MJ de EM/kg de MS) Proteína Bruta (% PB) Silagem de milho 27 9,9 8,0 Cana-de-açúcar 23 9,1 4,3 Farelo de soja 89 12,3 50,5 Farelo de algodão 91 11,5 45,7 Soja crua 90 14,3 42,0 Farelo de arroz integral 91 9,9 14,8 Farelo de arroz desengordurado 91 9,0 15,4 Farelo de trigo 90 12,2 17,0 Fubá de milho 88 13,6 10,5 Milho desintegrado com palha e sabugo (MDPS) 8,9 11,6 8,7 Farinha de carne e ossos 94 9,9 53,4 Farinha de peixe 92 11,0 66,6 Cama de galinheiro 79 8,2 20,25 Fonte: Adaptado (Cardoso, 1996). O custo da alimentação e o conteúdo de agentes eutrofizantes presentes nesta biomassa são fatores que impulsionam para o máximo aproveitamento nutricional pelos animais e/ou do esterco final. Para o aproveitamento do esterco final é relevante a produção de bioetanol, uma vez que, esta biomassa contém elevada quantidade de fibras lignocelulósicas (Wen et al., 2004). 3.5 Produção de etanol O etanol brasileiro proporciona redução da poluição, segurança energética, economia de divisas, empregos, não dependendo de mais subsídios para ser competitivo, sendo reconhecido como um biocombustível avançado (redução de 23

25 pelo menos 50 % das emissões de gases de efeito estufa, em comparação com a gasolina). Em 2012, a produção de etanol atingiu 23,5 hm 3, 9,7 hm 3 de etanol anidro e 13,8 hm 3 de etanol hidratado. A expectativa é de atingir 63,1 hm 3 em 2020 (Maroun e La Rovere, 2014). Por outro lado, nas últimas décadas foram previstas várias formas de utilização de biomassa e resíduos associados à produção de energia em diferentes formas, além do etanol, por exemplo, biogás, biodiesel, bio-óleo pirolítico, etc. (Singh et al., 2014). 3.6 Produção de bioetanol lignocelulósico O bioetanol lignocelulósico ou etanol de segunda geração resulta da quebra de açúcares complexos (polissacarídeos, particularmente na forma de polpa) em açúcares simples para fermentação e destilação subsequente (Ho et al., 2012) A celulose contida na biomassa de caules e folhas é um polissacarídeo composto de moléculas de glucose ligadas. Por seu tamanho e estrutura, as moléculas de glicose que compõem a polpa não são fermentadas por microrganismos, o que torna impossível a sua utilização para a produção de etanol, com a tecnologia de primeira geração (Raele et al., 2014). Entretanto, é possível converter a celulose em açúcares simples através de processos bioquímicos usando ação de enzimas. Nestes processos, as moléculas de celulose são divididas em milhares de açúcares simples, que podem ser fermentados (Raele et al., 2014). Em consequência da tecnologia de produção do etanol de segunda geração ainda não estar consolidada em grande escala, os resíduos de biomassa ainda são queimados em caldeiras de alta pressão para geração de energia (Moreira, 2000). Isto já configura um avanço e uma contribuição para a mitigação ambiental do acúmulo de CO 2 na atmosfera, impedindo que novas usinas de energia movidas a diesel sejam instaladas (Moreira, 2000). No Brasil, o etanol de segunda geração ainda não é produzido em escala comercial em usinas de energia (Raele et al., 2014). 24

26 A produção de bioetanol lignocelulósico apresenta três operações principais: pré-tratamento para libertar a celulose e hemicelulose hidrólise enzimática da celulose e hemicelulose para produzir açúcares fermentescíveis e a fermentação (Sarkar et al., 2012). Além destas três etapas tem ainda a destilação, etapas que serve para separar o etanol do mosto fermentado Pré-tratamentos No processo de produção de etanol de segunda geração a biomassa passa por processos físicos e químicos para preparar a matéria-prima para as fases seguintes de conversão da celulose e hemicelulose em açúcares mais simples e fermentescíveis. Os pré-tratamentos podem ser divididos em: Pré-tratamento físico como cominuição e extrusão (Agbor et al., 2011); químicos como ácido, alcalino, oxidante, por líquido iônico, por solvente orgânico, por ozônio (Haghighi Mood et al., 2013; Badiei et al., 2014), físico-químicos como explosão por vapor, explosão com amônia, água quente (Behera et al., 2010), biológicos por fungos ou bactérias (Silva Ortiz e De Oliveira Jr, 2014); e ainda combinações de pré-tratamentos. A Tabela 2 mostra um resumo dos pré-tratamentos de biomassas. Etapas anteriores como cominuição e secagem são usuais. A moagem tem como objetivo aumentar a área da superfície e reduzir o tamanho das partículas dos materiais lignocelulósicos (Harun et al., 2011). Também leva a redução do grau de polimerização e de cristalização da matéria-prima (Sarkar et al., 2012). A moagem da matéria-prima pode ser a seco ou a úmido. A moagem reduz a cristalinidade de celulose e melhora a eficiência de processamento. A redução do tamanho pode proporcionar melhores resultados, porém partículas muito pequenas podem impor efeitos negativos sobre o subsequente processamento, tais como prétratamento e hidrólise enzimática. Ele pode gerar aglomerados durante os passos subsequentes e levar a canalização do líquido no processo (Sarkar et al., 2012). 25

27 Tabela 2 - Resumo das vantagens e desvantagaens dos vários processos de Pré-tratamento da biomassa Métodos de Prétratamentos Vantagens Desvantagens Biológico Degrada lignina e hemicelulose. Baixo consumo de energia. Explosão por vapor AFEX Explosão de CO2 Oxidação úmida Provoca a transformação da lignina e solubilização da hemicelulose. Rendimento mais elevado de glicose e da hemicelulose no processo de duas etapas. Aumenta a área de superfície acessível. Baixa formação de inibidores. Aumenta a área de superfície acessível. Relação custo-benefício. Não implica na geração de compostos tóxicos. Eficiente remoção de lignina. Baixa formação de inibidores. Minimiza a demanda de energia (exotérmica). Ozonólise Redução do conteúdo de lignina. Não implica na geração de compostos tóxicos. Organossolvente Provoca hidrólise da lignina e da hemicelulose. Ácido concentrado Rendimento elevado de glicose. Processo em temperatura ambiente. Baixa taxa de hidrolise. Geração de compostos tóxicos. Degradação parcial da hemicelulose. Ineficiente para matériasprimas com alto teor de lignina. Alto custo devido a grande quantidade de amônia. Não afeta lignina e hemicelulose. Requer pressão muito elevada. Alto custo do catalisador alcalino e oxigênio. Alto custo devido a grande quantidade de ozônio necessário. Alto custo. Os solventes devem ser drenados e reciclados. Alto custo do ácido e precisa ser removido. Problemas de corrosão. Formação de inibidores. Ácido diluído Menos problemas de corrosão que com o ácido concentrado. Menos formação de inibidores. Geração de produtos de degradação. Baixa concentração de açúcares na corrente de saída. Fonte: Adaptado de (Alvira et al., 2010; Agbor et al., 2011; Sarkar et al., 2012; Haghighi Mood et al., 2013; Behera et al., 2014; Ortíz e Quintero, 2014; Zheng et al., 2014) 26

28 O pré-tratamento químico é um processo que pode melhorar a digestibilidade da biomassa lignocelulósica. Devido à complexidade e variabilidade de estruturas químicas da biomassa, o método de pré-tratamento ideal e as condições dependem da composição da lignocelulose presente na biomassa. A composição da biomassa está relacionada a sua biodegradabilidade, influenciando na cristalinidade da celulose, na área de superfície acessível, no grau de polimerização de celulose, na presença de lignina e hemicelulose, e no grau de acetilação da hemicelulose (Kim e Holtzapple, 2005). O objetivo do pré-tratamento químico é alterar as propriedades de digestibilidade da biomassa e consequentemente melhorar a relação entre a biomassa e as enzimas e entre a biomassa e os microrganismos (Zheng et al., 2014). Podem ser divididos em: pré-tratamento ácido, alcalino, por líquido iônico, por solvente orgânico e ainda por ozonólise (Haghighi Mood et al., 2013) Os métodos de pré-tratamento (Tabela 2) servem para a solubilização e separação de um ou mais destes componentes da biomassa. O pré-tratamento faz com que a biomassa sólida remanescente seja mais acessível a um tratamento químico ou biológico. Esta celulose torna-se mais adequada para o ataque enzimático (Sarkar et al., 2012). O pré-tratamento químico utilizando ácidos e bases são aconselháveis para remover a lignina e a hemicelulose da biomassa, deixando a celulose mais disponível para a etapa de sacarificação enzimática. O pré-tratamento ácido pode ser feito a partir de ácidos diluídos ou concentrados. Quanto ao uso de ácidos diluídos, há dois processos: um usando altas temperaturas, superiores a 160 ºC e outro a baixas temperaturas, inferiores a 160 o C (Sun e Cheng, 2002). Os pré-tratamentos biológicos normalmente utilizam fungos e algumas bactérias (actinomicetos). Neste pré-tratamento os microrganismos envolvidos secretam as enzimas extracelulares como a xilanase (endo-1,4-β-xilanase) que auxilia na degradação da hemicelulose liberando a lignina (Ogeda e Petri, 2010). 27

29 3.6.2 Hidrólise enzimática Nesta etapa, também chamada de sacarificação, a celulose é hidrolisada por tratamento enzimático, liberando as unidades de glicose que posteriormente serão assimiladas pela levedura no processo de fermentação (Souza, 2011). A hidrólise enzimática da celulose é efetuada pela enzima celulase que é altamente específica (Béguin e Aubert, 1994). No entanto, nesta etapa, através de um complexo enzimático, hidrolisa também a hemicelulose, transformando estes polissacarídeos em açúcares redutores que podem ser fermentados por leveduras ou bactérias (Sun e Cheng, 2002). A hidrólise enzimática oferece potencial para rendimentos mais elevados, maior seletividade, menores custos de energia e condições mais leves do que as condições de funcionamento de processos químicos (Wyman, 1994). Os produtos da hidrólise enzimática são geralmente açúcares redutores de cinco e seis carbonos. O custo da hidrólise enzimática é baixo quando comparado com a hidrólise ácida ou alcalina porque a hidrólise enzimática é geralmente conduzida em condições mais suaves (ph 4,8 e temperatura de C) e também por não apresentarem problemas de corrosão e apresentarem alto rendimento, cerca de 75 a 85%, possibilitando ainda a fermentação simultânea à sacarificação (Duff e Murray, 1996). As celulases são normalmente uma mistura de várias enzimas. Num processo de hidrólise três grupos principais de celulases estão envolvidos: a endoglucanase (endo-1,4-d-glucanohidrolase) que ataca as regiões de baixa cristalinidade da fibra de celulose, criando cadeias finais livres; a exoglucanase ou celobiohidrolase (1,4-βd-glucano celobiohidrolase) que degrada a molécula removendo unidades de celobiose das extremidades livres das cadeias; e, a β-glucosidase, que hidrolisa de celobiose para produzir glicose. (Cheng e Chang, 2011). Há também um número de enzimas que auxiliam no ataque da hemicelulose como glucoronidase, acetilesterase, xilanase, β-xilosidase, galactomannanase e glucomannanase (Duff e Murray, 1996). 28

30 3.6.3 Fermentação alcoólica A fermentação alcoólica é um processo biológico no qual microrganismos convertem açúcares em energia celular com produção de etanol e dióxido de carbono como resíduos metabólicos. Esta conversão ocorre na ausência de oxigênio, conforme a equação 1. C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 (1) Diferentes organismos, tais como bactérias e fungos podem ser usados para a conversão, no entanto o organismo mais frequentemente usado em processos industriais é a Saccharomyces cerevisiae (Axelsson, 2011). Uma desvantagem da Saccharomyces cerevisiae é que ela não pode fermentar pentoses, que são de interesse quando se utiliza biomassa lignocelulósica. A eficiência do processo de fermentação depende de vários fatores; escolha do microrganismo, matéria-prima, o método de pré-tratamento, o método de hidrólise e fatores ambientais tais como ph, temperatura, substrato e concentração de etanol. O desempenho do processo é afetado por diferentes inibidores gerados no decorrer do processo. O hidrolisado contém, juntamente com açúcares fermentáveis, inibidores que restringem a fermentação e, assim, diminui o rendimento em etanol. A recirculação da água do processo aumenta ainda mais a presença destes compostos. Sendo que o próprio etanol produzido vai ter um efeito inibidor sobre o microrganismo de fermentação, limitando assim a conversão da glicose em etanol. (Olsson e Hahn-Hägerdal, 1996). As condições comuns de fermentação com Saccharomyces cerevisiae são normalmente ph 5,0 e temperatura máxima de 37⁰ C (Cantarella et al., 2004) Estratégias para sacarificação e fermentação Para aproveitar as frações polissacarídicas (celulose e hemicelulose) das biomassas residuais de composição lignocelulósica para a produção de bioetanol de segunda geração, quatro estratégias são concebidas, sendo que cada estratégia 29

31 apresenta estágio de desenvolvimento diferente: Hidrólise e Fermentação em Separado; Sacarificação e Fermentação Simultânea; Sacarificação e Cofermentação Simultânea e Bioprocesso consolidado. (Silva, 2010). A Hidrólise e Fermentação em Separado, do inglês Separated Hydrolysis and Fermentation SHF (Figura 4a) é um processo que apresenta potencial para produzir bioetanol em escala industrial, onde uma das vantagens é poder otimizar as etapas do processo em separado, especialmente a possibilidade de executar a hidrólise enzimática numa temperatura ótima. As dificuldades de fermentação, juntamente com a inibição do produto final são duas limitações do processo de SHF que têm de ser melhorados (Axelsson, 2011). A Sacarificação e Fermentação Simultâneas, do inglês Simultaneous Saccharification and Fermentation SSF (Figura 4b) é um processo bioquímico na qual a fermentação e a sacarificação da fração celulósica ocorrem numa mesma etapa. Neste caso há a necessidade de executar a hidrólise enzimática para que não haja formação de inibidores e possibilite um sinergismo entre as atividades enzimáticas e do microrganismo produtor. A fração hemicelulósica é hidrolisada e fermentada em etapas separadas, bem como a produção de enzimas do complexo celulásico (Schlittler, 2012). Uma das dificuldades deste processo refere-se a necessidade de diferentes temperaturas ótimas para a hidrólise enzimática (45-50 C) e para fermentação (28-35 C) (Martín et al., 2008). A operação da Sacarificação e CoFermentação Simultâneas, do inglês Simultaneous Saccharification and Cofermentation SSCF (Figura 4c) refere à fermentação de ambos açúcares, pentoses e hexoses, que ocorre no mesmo reator em que ocorre a sacarificação da celulose, porém a hidrólise da hemicelulose e a produção de celulases ocorrem em processos separados (Martín et al., 2008). Comparando o sistema SHF com o SSF pode-se observar que no reator do SSF somente as hexoses são convertidas a etanol e as pentoses são fermentadas em outro reator, por um organismo diferente. No processo de SSCF, tanto as hexoses quanto as pentoses são fermentadas por um único microrganismo em um mesmo reator. Assim é necessário desenvolver microrganismos geneticamente modificados que possam fermentar ambos os açúcares, atendendo a finalidade deste processo. (Hamelinck et al., 2005). 30

32 Figura 4 - Processos produção de enzimas, sacarificação e Fermentação. Adaptados de (Hamelinck et al., 2005). 31

33 O Bioprocesso consolidado, do inglês Consolidated Bioprocess CB (Figura 4d), é o processo mais desenvolvido, onde pelo menos três etapas podem ser executadas num mesmo equipamento. Neste caso a engenharia genética tem papel fundamental para que um único microrganismo possa expressar diversas atividades, seja na produção de enzimas, na hidrólise dos polissacarídeos de biomassa como na fermentação de pentoses e hexoses (Hamelinck et al., 2005) Destilação Para separar o etanol produzido na fermentação é necessário destilar o caldo fermentado. O etanol é separado numa coluna de destilação e concentrado em uma coluna de retificação, conforme métodos conhecidos industrialmente (Hamelinck et al., 2005). O composto residual, água e sólidos (vinhaça) ficam ricos em matéria orgânica e podem ainda ser utilizados como substrato para outros produtos, como por exemplo, biogás. Para ter um processo que é economicamente viável, a orientação geral é que a concentração de etanol no caldo da cana-de-açúcar, antes destilação, deve ser superior a 4 % m/m.(horn e Eijsink, 2010). 3.7 Indicadores Ambientais Segundo o Ministério do Meio Ambiente (MMA): Indicadores Ambientais são informações quantificadas, de cunho científico, de fácil compreensão usados nos processos de decisão em todos os níveis da sociedade, úteis como ferramentas de avaliação de determinados fenômenos, apresentando suas tendências e progressos que se alteram ao longo do tempo. Permitem a simplificação do número de informações para se lidar com uma dada realidade por representar uma medida que ilustra e comunica um conjunto de fenômenos que levem a redução de investimentos em tempo e recursos financeiros. Estes indicadores são obtidos com o auxílio de uma estatística moderna e de softwares apropriados. Entre as ferramentas utilizadas para reconhecer os 32

34 indicadores e os impactos associados a produtos de processos estão softwares de ACV e as planilhas de avaliação e tomada de decisão como Leopoldo, Pedigree e outras. 3.8 Inventário do ciclo de vida (ICV) Inventário de Ciclo de Vida consiste de uma lista de aspectos ambientais que circulam através das fronteiras do sistema de produto, na forma de correntes de matéria e energia de entrada e saída. O ICV é uma etapa decisiva para que o estudo de ACV atinja seus objetivos (Kulay e Seo, 2006). O ICV é a etapa de trabalho mais intensa e demorada em comparação com as outras etapas, principalmente por causa da coleta de dados que depende de bases disponíveis e fornecedores disposto a ajudar (Roy et al., 2009). Num estudo de ICV para biocombustíveis deve ser incluido entradas e saídas nos processos para a produção de materiais e energias do processo, assim como as emissões diretas, tais como, a produção de vapor, eletricidade, fertilizantes, diesel, pesticidas e produtos químicos. Os dados secundários são normalmente obtidos de bases de dados internacionais, mas às vezes as condições de processos são diferentes (Rocha et al., 2014). 3.9 Avaliação de ciclo de Vida (ACV) Avaliar o ciclo de vida é criar um quadro metodológico para estimar e avaliar os impactos ambientais referentes ao ciclo de vida de um produto, como: mudanças climáticas, destruição da camada de ozônio estratosférico, criação do ozônio troposférico, eutrofização, acidificação, danos à saúde humana e aos ecossistemas, ao esgotamento de recursos, uso do solo e da água, etc. (Rebitzer et al., 2004). A ACV é um processo de compilação e avaliação de insumos (energia e material) e saídas (produtos, subprodutos, poluentes e emissões) para avaliar os 33

35 potenciais impactos ambientais de um produto ao longo de seu ciclo de vida (Morales et al., 2015). Já o conceito da Society of Environmental Toxicology and Chemistry Setac é mais abrangente: A avaliação de Ciclo de Vida inclui o ciclo de vida completo do produto, processo ou atividade, ou seja, a extração e o processamento de matérias-primas, a fabricação, o transporte e a distribuição; o uso, o reemprego, a manutenção; a reciclagem, a reutilização e a disposição final" (Setac, 1993). Segundo a Norma ISO ACV é uma ferramenta para analisar sistematicamente o desempenho ambiental de produtos ou processos ao longo de todo o seu ciclo de vida, incluindo a extração de matéria-prima, fabricação, utilização e fim de vida, descarte e reciclagem (ISSO 14040; Arvanitoyannis, 2008) Portanto, ACV leva em consideração todas as etapas do ciclo de vida do produto da extração de recursos naturais até o fim da vida ou destruição. A avaliação permite a caracterização de potenciais desempenhos ambientais de um sistema de produção, a fim de identificar possíveis melhorias. Além disso, é uma ferramenta importante para os tomadores de decisão (Menten et al., 2013). Ainda, de acordo com Norma ISO (ISO-14040, 2006), as categorias gerais de impactos ambientais que necessitam ser consideradas incluem o uso de recursos, a saúde humana e as consequências ecológicas, mediante: - A compilação de um inventário de entradas e saídas pertinentes de um sistema de produto. - A avaliação dos impactos ambientais potenciais, associados a essas entradas e saídas. - A interpretação dos resultados das fases de análise de inventário e de avaliação de impactos em relação aos objetivos dos estudos. Com ACV é possível avaliar objetivamente as cargas ambientais ou os impactos associados a produtos, processos ou atividades, com base na identificação e quantificação da energia e materiais utilizados, bem como dos resíduos emitidos para o ambiente (Setac, 1993). 34

36 Para analisar os encargos ambientais dos processos e produtos durante todo o seu ciclo de vida, quatro passos devem ser executados, tornando possível a comparação de diferentes estudos: Objetivo e Escopo, Inventário do Ciclo de Vida (ICV), Avaliação do Impacto propriamente dito e a interpretação. (Rebitzer et al., 2004). Atualmente as seguintes normas padronizam os estudos de ACV: - ISO Avaliação do Ciclo de Vida: Princípios e Estrutura (1997). - ISO Avaliação do Ciclo de Vida: Objetivo, Escopo e Análise do Inventário (1998). - ISO Avaliação do Ciclo de Vida: Avaliação de Impactos Ambientais (2000). - ISO Avaliação do Ciclo de Vida: Interpretação do Ciclo de Vida (2002). - ISO Avaliação do Ciclo de Vida: Requisitos e Diretrizes. Além destas normas, foram publicados dois Relatórios Técnicos (Technical Report - TR) e uma Especificação Técnica (Technical Specification - TS) que contribuem para o uso correto desta metodologia que são: - ISO TR Avaliação do Ciclo de Vida: Exemplos de Aplicação da ISO (2003). - ISO TS Avaliação do Ciclo de Vida: Formato da Apresentação de Dados (2002). - ISO TR Avaliação do Ciclo de Vida: Exemplos de Aplicação da ISO para a definição de objetivos e escopo e análise de inventário (2000). Para apoiar os estudos ambientais de Análise de Ciclo de Vida, principalmente na análise do inventário de ciclo de vida alguns softwares têm sido desenvolvidos. Estes softwares vêm permitindo o processamento dos dados de forma mais fácil, mais imparcial e rápida, além de garantir cálculos de maior confiança, originando relatórios finais consistentes. Assim, facilitam o gerenciamento 35

37 dos dados envolvidos no estudo, pois disponibilizam bancos de dados, o que minimiza o tempo com relação à sua coleta. Além disso, realizam avaliação de impacto e interpretação. Essas ferramentas são atualizadas regularmente acompanhando o desenvolvimento dos aspectos gerais da ACV e apresentam os resultados de uma forma facilitada, através de gráficos e tabelas (Rodrigues et al., 2008). O SimaPro, utilizado nesta pesquisa, é um software que foi desenvolvido pela Empresa Pré Consultants em A Empresa possui sede na Holanda e filial nos Estados Unidos e atua na área de consultoria em ACV, venda do software e em treinamentos. No Brasil a Empresa é representada pela ACV Brasil Sustentabilidade, localizada na cidade de Boa Vista-PR. O SimaPro permite modelar produtos e sistemas a partir de uma perspectiva de ciclo de vida. O SimaPro é uma ferramenta profissional para coletar, analisar e monitorar o desempenho de sustentabilidade de produtos e serviços, podendo incorporar a sustentabilidade nas operações diárias e criar uma vantagem competitiva a partir de iniciativas de sustentabilidade (Herrmann e Moltesen, 2015; Pre-Sustainability, 2015). Além do SimaPro outros tantos softwares foram criados para auxiliar na elaboração de Avaliação de Ciclo de Vida, como o GaBi 4.0 (Ferreira, 2004; Herrmann e Moltesen, 2015), Umberto (Kuchiniski et al., 2013).e IWM (Den Boer et al., 2007) Categorias de Impacto por Métodos de Avaliação Os métodos de avaliação de impactos apresentam informações ambientais a respeito de inúmeras substâncias e recursos. Cada método possui seus princípios de medições e fatores de caracterização, normalização e ponderação particulares. Os indicadores correspondentes a cada categoria de impacto definida podem se enquadrar em qualquer estágio entre os resultados numéricos do inventário e os resultados finais (nos quais o efeito ambiental propriamente dito ocorre). 36

38 Na corrente de causa e efeito, consideramos dois métodos: (1) Métodos clássicos de avaliação de impacto, midpoints, restringem a modelagem quantitativa a estágios relativamente iniciais a fim de minimizar incertezas e agrupar os resultados de inventário. São as chamadas categorias intermediárias. (2) Métodos orientados a danos, tentam modelar a corrente de causa e efeito até o chamado endpoint, ano propriamente dito ou resultado final. Esta modelagem pode agregar altos valores de incertezas (Jolliet, O. et al., 2003). Dentre os diversos métodos de avaliação de impactos, alguns se destacam por serem mais utilizados, como: EcoIndicator-99, CMl 2000 e Impact O Método EcoIndicator-99 é um método Endpoint que utiliza informações relacionadas a saúde humana, a qualidade dos ecossistemas e aos recursos naturais. Este método considera as seguintes categorias de impacto: cancerígenos, orgânicos e inorgânicos inaláveis, mudanças climáticas, radiação, camada de ozônio, ecotoxicidade, acidificação/eutrofização, uso do solo, minerais e combustíveis fósseis (Goedkoop e Spriensma, 2001). O método do Centre of Environmental Science Leiden University, conhecido como CML 2001 utiliza informações relacionadas às propriedades fundamentais das substâncias para estimar os impactos potenciais (Takeda, 2008). Este método foi desenvolvido pelo Centro de Ciências Ambientais da Universidade de Leinden (CML), na Holanda. Ele fornece diretrizes operacionais abrangentes ou simplificadas. Os modelos de caracterização possuem abordagem orientada para o problema, englobando todos os impactos relacionados a emissões e aos recursos, e para os quais, fatores quantificados estão disponíveis. Na etapa de normalização são propostas quatro categorias, que variam geograficamente: Holanda para o ano de 1997, Europa Ocidental para o ano de 1995 e Mundial, para os anos de 1990 e Este método é midpoint, não sendo contemplados procedimentos de ponderação e agregação (Sousa, 2008). Suas categorias de impacto são: Depleção de recursos abióticos, Mudanças climáticas, Depleção da camada de ozônio, Toxicidade humana, Ecotoxicidade de água doce, Ecotoxicidade marina, Ecotoxicidade terrestre, Formação de fotooxidante, Acidificação e Eutrofização (Takeda, 2008). 37

39 O método IMPACT2002+, IMPact Assessment of Chemical Toxics, elaborado pelo Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne (EPFL), propõe a combinação de abordagens Midpoint e Endpoint, caracterizando os resultados do inventário em catorze categorias de impacto que são: Carcinogênicos, não carcinogênicos, Respiráveis inorgânicos, Radiação, Depleção da camada de ozônio, Respiráveis orgânicos, Ecotoxicidade aquática, Ecotoxicidade terrestre, Acidificação terrestre, Uso do solo, Acidificação aquática, Eutrofização aquática, Aquecimento global, Energia não renovável e Extração mineral. Estas categorias de impacto estão correlacionadas a pelo menos uma das quatro categorias de danos: Saúde humana, Qualidade dos ecossistemas, Mudanças climáticas e Recursos naturais (Jolliet, I. et al., 2003; Jolliet, O. et al., 2003; Takeda, 2008). Outra característica específica desta metodologia consiste na avaliação comparativa da toxicidade humana com a ecotoxicidade. As demais categorias foram adaptadas de modelos como E-I99 e CML2001 (Sousa, 2008) Classificação, Caracterização, Normalização e Ponderação de dados para ACV Classificação é a etapa na qual os dados da análise de inventário são agrupados em uma série de categorias de impacto potenciais (Sharaai et al., 2012), tais como: uso de compostos cancerígenos no ciclo, ecotoxicidade, ataque a camada de ozônio, e contribuição para o aquecimento global, entre outros. O agrupamento das categorias de impacto é feito de acordo com a sua capacidade de contribuir para diferentes problemas ambientais (Sharaai et al., 2012) dividindo as categorias que impactam a saúde humana, a qualidade de ecossistemas e os recursos naturais. Nas categorias de impacto são utilizados fatores de equivalência, que são potenciais de acontecimento do impacto com relação a todo inventário utilizado na análise. A classificação e a caracterização são dois elementos básicos obrigatórios. A caracterização de acordo com ISO 14042: 2000(E) e ISO 14047: 2003(E) é a fase na qual os valores do indicador são calculados para cada categoria de impacto, 38

40 utilizando fatores de caracterização (Ferreira, 2004), ou seja, é o valor de cada item em cada categoria de impacto (Sharaai et al., 2012). A normalização dos resultados do indicador segundo a ISO 14042: 2000(E) e ISO/TR 14047: 2003(E) é um elemento opcional no estudo de ACV que tem como objetivo compreender melhor a magnitude relativa de cada resultado do indicador do sistema de produto estudado (ISO-14042; Ferreira, 2004). Já, a ponderação, de acordo com a ISO 14042: 2000(E) e ISO/TR 14047: 2003(E) é um elemento opcional da avaliação onde são atribuídos pesos ou valores relativos às diferentes categorias de impacto baseado na importância ou relevância percebida (Ferreira, 2004) Uso da simulação de Monte Carlo para avaliar os dados da ACV A ferramenta estatística utilizada na ACV neste trabalho foi a Simulação de Monte Carlo (SMC) que tem como objetivo efetuar a análise de risco por meio da construção de modelos de possíveis resultados. Para tanto, são supostos n dados quaisquer (x, x,..., x ) obtidos através de medições in loco. Com base em uma 1 2 n análise estatística simples nos mesmos obtém-se sua distribuição de probabilidade e respectiva média μ e desvio padrão σ. O método SMC faz é gerar um novo dado aleatoriamente (x ), dentro do n+1 intervalo da curva de distribuição de probabilidade definida pela função F(x) que representa os dados obtidos (x, x,..., x ). Com estes novos dados (x, x,..., x ), é 1 2 N 1 2 n+1 gerada uma nova distribuição de probabilidade F(x) destes dados, média μ e desvio padrão σ. Assim, sucessivamente, a simulação gera um novo dado aleatoriamente (x ), dentro do intervalo da curva de distribuição de probabilidade definida pela n+2 função F(x) que representa os dados obtidos até então (x, x,..., x ), até que o 1 2 n+2 número total de simulações definido seja atingido. Quanto mais simulações são feitas menor fica o desvio padrão (Junior, 2007) 39

41 3.9.4 Limitações da metodologia ACV A ACV apresenta limitações e para tornar a sua aplicação viável faz-se necessária a simplificação de alguns aspectos. Outra limitação da ACV ocorre devido a este método não considerar o sistema de uma forma dinâmica, ou seja, expressa somente um determinado momento em que o sistema se encontra. Também existem limitações por considerar a descrição física do sistema e não considerar fatores externos como a demanda do mercado, o contexto econômico e social no qual o sistema está inserido, entre outros que interferem em seu desempenho (Assis, 2009). Além disso, uma ACV possui muitas fontes de incerteza, como por exemplo, a escolha de uma unidade funcional equivocada, pode levar posteriormente a distorção nas análises. Outro erro que pode ocorrer é a desconsideração de uma determinada etapa por deduzir que esta não irá influenciar nos resultados finais. Estas limitações interferem na confiabilidade dos dados, fazendo com que os resultados finais não representem fielmente as condições do sistema (Giannetti et al., 2003). Segundo pesquisa realizada sobre limitações em estudos de ACV que analisou mais de 180 trabalhos. As cinco principais limitações citadas pelos autores foram: (47) indisponibilidade de banco de dados nacionais; (41) incerteza do método em relação aos resultados para a tomada de decisão; (36) dificuldade a coleta de dados primários; (23) complexidade na fase de ICV devido ao grande volume de dados e (22) dificuldade de aplicação devido aos dados sigilosos (Zocche, 2014). A Norma ISO 1400 considera que os principais problemas estão voltados às decisões subjetivas, ou seja, à natureza da seleção feita em um estudo de ACV. De acordo com a Norma a escolha dos limites do sistema, a seleção da origem e da idade dos dados e a escolha das categorias de impacto podem ser subjetivas, levando a uma perda do caráter objetivo da (ISO-14040, 2006). 40

42 3.9.5 Aplicação de ACV na área de biocombustíveis O Estudo de ACV para biocombustíveis, especialmente para bioetanol justifica-se uma vez que a produção mundial desse combustível vem aumentando significativamente. No ano 2000 foram produzidos cerca de 16,9 bilhões de litros. Já em 2009 a produção alcançou cerca de 72 bilhões de litros de etanol (Wiloso et al., 2012). Há estudo de ACV na produção de bioetanol a partir da biomassa palha de arroz, utilizando como unidade funcional a produção de 1 L de bioetanol anidro. A fronteira do sistema foi definida a partir da coleta da biomassa até a destilação e disposição do resíduo (Roy et al., 2012). Estudo de ACV para comparar etanol e biodiesel a partir de óleo de palma foi realizado nas condições brasileiras. A Ferramenta utilizada foi o software SimaPro e o método CML-2000 Os impactos ambientais foram quantificados e classificados nas seguintes categorias de impacto: abiótica Esgotamento Potencial (ADP), Potencial de Aquecimento Global (GWP), Toxicity Potencial Humano (HTP), potencial de acidificação (ACP) e da eutrofização Potencial (ETP) (Rocha et al., 2014). Biocombustíveis têm um potencial para reduzir as emissões de dióxido de carbono porque a biomassa utilizada na sua produção é considerada de carbono neutralizado. Entretando, há outros aspectos, especialemente para biocombustíveis de primeira geração, o que pode torná-los insustentável devido o aumento do uso da terra e da concorrência com a produção de alimentos. O deslocamento dos impactos ao longo das cadeias de abastecimento deve ser evitado. A sustentabilidade deve ser avaliada considerando todo o ciclo de vida dos biocombustíveis, incluindo o cultivo das matérias-primas e processos de produção de biocombustíveis (Azapagic e Stichnothe, 2011). Muitos estudos de casos relatados na última década foram avaliados para a produção de bioetanol lignocelulósico, cujo foco principal foi o balanço energético e os gases de efeito estufa (GEE), considerando os métodos de análise, os pressupostos e as categorias de impacto. O objetivo do estudo foi sintetizar e analisar as informações disponíveis e atualizadas sobre ACV de bioetanol 41

43 lignocelulósico e comparar os seus impactos ambientais como os combustíveis fósseis (Morales et al., 2015). ACV é um instrumento que pode ser utilizado para quantificar os impactos ambientais associadas à produção de bioetanol a partir de biomassa agrícolas, como por exemplo, a palha. A metodologia ACV considera etapas do processo em toda a produção de bioetanol desde a matéria-prima até o bioetanol produto. Entretanto, algumas restrições agroecológicas em relação à disponibilidade de matéria-prima, como a conservação da fertilidade do solo através da incorporação da biomassa no campo, não são levados em consideração dentro de metodologias de ACV (Lindorfer et al., 2014). 42

44 4 METODOLOGIA A metodologia empregada para a Avaliação de Ciclo de Vida na produção de bioetanol da biomassa dejeto de gado confinado conta com algumas etapas necessárias, tais como a caracterização da amostra e o processamento da biomassa em escala laboratorial para realização do inventário. O Inventário de Ciclo de Vida (ICV) foi realizado em escala laboratorial no período de agosto de 2013 a dezembro de 2014 e com base na configuração dos equipamentos selecionados para a produção de etanol em escala piloto. Para tanto, foi realizada pesquisa de equipamentos, junto a fornecedores do mercado nacional, quanto a características, dimensões, consumo de energia e outras informações necessárias. A Unidade Funcional considerada foi de kg de dejeto de gado confinado. O método considerado para a produção foi o SHF, conduzido com a hidrólise enzimática separada da fermentação, otimizado por Vancov et al. (2015) na Austrália. Os experimentos de laboratório (Anexo A) foram realizados com dejeto coletado no Parque de Eventos da Associação de Fumicultores do Brasil, os quais apresentaram composição semelhante em polissacarídeos que o dejeto de gado confinado utilizado na Austrália. Dados relacionados a emissões e consumo de matéria-prima foram registrados em escala laboratorial e convertidos para uma escala de kg de biomassa coletada (base úmida). O consumo de energia foi calculado conforme os equipamentos selecionados para o processo projetado. O inventário do processo foi realizado conforme as condições projetadas para 193 kg de biomassa seca obtida a partir de 1000 kg de dejeto conforme percentual de água obtido após a secagem em laboratório (Anexo B). O processo considerado para ACV neste estudo inicia com a secagem da biomassa, seguida das etapas de moagem, pré-tratamento ácido, tratamento enzimático, fermentação e destilação para obtenção do bioetanol lignocelulósico, conforme disposto na Figura 5. As estimativas efetuadas buscam a maior proximidade possível da realidade. 43

45 Figura 5 Fluxograma do processo de produção de bioetanol a partir de dejeto de gado confinado. A Tabela 3 mostra os equipamentos para a produção de etanol de dejeto de gado confinado considerando uma unidade funcional de 1000 kg contendo o nome, modelo e marca, dos equipamentos selecionados. 4.1 ICV da produção de bioetanol a partir de dejeto de gado confinado Procurou-se definir bem o escopo para assegurar que a extensão, a profundidade e o grau de detalhamento do estudo fossem compatíveis e suficientes para atender o objetivo estabelecido. O escopo do estudo sofreu modificações, pois durante a condução do estudo, informações adicionais foram coletadas. O escopo do estudo da ACV objetivou especificar claramente as funções do sistema em estudo apresentado na Figura 5. 44

46 Tabela 3 - Equipamentos para produção de bioetanol de dejetos de gado confinado. Processo Equipamento Marca/Modelo Especificações Secagem da biomassa Moagem biomassa da Pré-tratamento ácido Separação da fase sólida pré-tratada Tratamento enzimático Separação fase sólida da Secador rotativo Moinho martelos Autoclave industrial Separador decantador de Lippel SRL500 Carlos Becker MMB-270/20 Phoenix AHVC1000 Limana Poliserviços Capacidade de produção: até 500 kg/h, capacidade de evaporação de L/h (1.000 kg h -1 ), Tipo de secagem: Indireta em um estágio. Moinho com capacidade de moer kg.h -1 de biomassa. OBS: pode haver a necessidade de adaptar telas para reter de partículas maiores que 1,4 mm. Potência requerida 20 CV. Capacidade de processar 1000 L. Produzida em aço inox com polimento sanitário, com funcionamento elétrico com gerador de vapor próprio. Potência 42 kw. Capacidade L divididos em 5 estágios com malha de separação inferior a 20 mesh. Tanque misturador WFA Tanque misturador com turbo, polimento sanitário, capacidade de L, com camisa de aquecimento/resfriamento, elétrico (resistências), hermético, agitação superior e turbo emulsificador inferior, plataforma completa em aço inox, painel de comando. Motor 736 Watt, resistência 2500kW. Tempo: 72 h. Consumo de energia: 233 kwh para cada 1000 L tratado. Separadordecantador Fermentação Tanque para mistura, diluição e cozimento, dorna de fermentação. Destilação Destilaria por batelada com gerador de vapor Limana poliserviços UNO cachaças Limana Poliserviços Capacidade L divididos em 5 estágios com malha de separação capaz de reter partículas maiores que 1,4 mm. Taque para realizar a diluição, mistura e cozimento com capacidade útil de 1000 L em aço inox 304, motor 5 CV, 1750 rpm, fundo cônico, camisa de aquecimento elétrico com 2 resistências de watts cada, polimento sanitário interno e externo, painel elétrico com inversor de velocidade, regulagem de rotação e temperatura, acionamento conforme NR12. Dorna para fermentação em aço inox AISI 3-4, chapa 18, fundo cônico, capacidade útil de L. Capacidade para 600 L, em aço inoxidável 304, espessura 1,50mm, serpentina interna para aquecimento a vapor e demais utilidades. O tempo de processamento de uma batelada de 600 L é estimado em 4 h. Tanque de recepção do álcool acoplado. 45

47 Assim, para definir o Inventário de Ciclo de Vida da produção de bioetanol a partir de dejeto de gado confinado a unidade funcional estabelecida foi a utilização de 1000 kg da biomassa, considerando a disponibilidade de equipamentos em mercado nacional e uma unidade funcional adequada ao levantamento dos impactos no software utilizado. Esta etapa da avaliação definiu o propósito e a extensão do estudo, através da definição das fronteiras do estudo, ou seja, quais as etapas do processo de produção foram abordadas. Para este estudo de ICV o objetivo foi identificar e analisar os potenciais impactos ambientais causados pelo processo produtivo de bioetanol à partir da biomassa dejeto de gado confinado. Para tanto, buscou-se trabalhar os parâmetros de processo de forma a ingressar, da melhor maneira possível, com os dados no software para que fossem obtidos os melhores resultados. Este estudo tem seu início na coleta do dejeto no local do confinamento, passando pelas etapas de secagem, moagem, pré-tratamento ácido, separação, tratamento enzimático, fermentação e termina com o processo de destilação, considerando-se que a instalação dos equipamentos é próxima ao local de coleta evitando o transporte da matéria-prima. Esta é uma unidade de produção de bioetanol pensada para ser instalada em uma propriedade rural com alta produção pecuária. Neste estudo não foram consideradas as cadeias de produção do gado confinado e da utilização do bioetanol pelos consumidores, ou seja, esta ACV trata apenas da cadeia da produção do bioetanol, iniciando na secagem da biomassa e terminando com o processo de destilação (Erro! Fonte de referência não encontrada.). Considerando o projeto em estudo, foram coletadas e quantificadas todas as variáveis envolvidas durante o ciclo de vida. Foram realizadas medidas experimentais, busca em literaturas e principalmente uso dos bancos de dados disponibilizados pelo software SimaPro através das bibliotecas do sistema EcoInvent. 46

48 Figura 6 Fronteira do Sistema proposto para a produção de bioetanol a partir de dejeto de gado confinados. 4.2 ACV na produção de bioetanol a partir de dejeto de gado confinado Após a construção do ICV foi possível modelar os dados no software SimaPro versão 7.3.2, utilizando a base de dados EcoInvent. A ACV neste estudo seguiu os passos de acordo com o manual do software desenvolvido pela Empresa holandesa Pré-consultants. Para tanto, as etapas de planejamento, inventário e interpretação foram devidamente definidas. Dentre os diversos métodos que podem ser utilizados no software SimaPro 7.3.2, o método escolhido foi o EcoIndicator 99, método desenvolvido por um comitê suíço. Este método organiza os dados inventariados, obtendo o peso de cada entrada em unidades relevantes. A versão 99 sucede a versão Ecoindicator-95, criando um novo indicador Avaliação de Danos, avaliando as seguintes categorias: Danos à Saúde Humana; Danos à Qualidade do Ecossistema e Danos aos Recursos naturais. Danos à saúde: Expressa o número de anos perdidos mais o número de anos vividos com incapacidade. Unidade: DALYs - Disability Adjusted Life Years (Anos de vida perdidos ou vividos com incapacidade). 47

49 Danos à qualidade dos ecossistemas: Expressa a perda de espécies em uma determinada área. Unidade: PDF*m2yr - Potentially Disappeared Fraction, (Fração Potencialmente Desaparecida, m 2 /ano/kg emissão). Danos aos recursos: Expressa a energia necessária para a extração de minerais e combustíveis fósseis consumidos no processo. Unidade: MJ Surplus (Megajoule excedente). As categorias acima são uma redução das categorias gerais do método Ecoindicator-99, que avalia os impactos ambientais através de onze categorias. Sendo que muitas delas são as mesmas avaliadas por outros métodos. Carcinogênicos: Expressa os efeitos das emissões de substâncias carcinogênicas nas emissões para o ar, água e solo. Unidade: DALYs. Orgânicos respiráveis: Expressa os efeitos causados pelas emissões de substâncias orgânicas para a atmosfera. Consideradas emissões de verão. Unidade: DALYs. Inorgânicos respiráveis: Expressa os efeitos causados pelas emissões de substâncias inorgânicas como material particulado, enxofre e óxidos de nitrogênio para a atmosfera. Consideradas emissões de inverno. Unidade: DALYs. Mudanças climáticas: Expressa os danos resultante do aparecimento de doenças e mortes causadas por mudanças climáticas. Unidade: DALYs. Radiação: Expressa os efeitos causados por radiações. Unidade: DALYs. Camada de ozônio: Expressa os danos causados pelo aumento das emissões de gases que destroem a camada de ozônio. Unidade: DALYs. Ecotoxicidade: Expressa a deterioração da qualidade dos ecossistemas pela emissão de substâncias tóxicas para o ar, solo e águas. Unidade: PDF*m2yr. Acidificação/Eutrofização: Expressa a deterioração dos ecossistemas devido às emissões de substâncias acidificantes: Unidades: expressa em PDF*m2yr. Uso do solo: Expressa o impacto na biodiversidade causado pela atividade que cause danos por conversão ou ocupação do solo: Unidade: PDF*m2yr. Minerais: Expressa o excedente de energia causado pela redução das reservas minerais. Unidade: MJ excedente. 48

50 Combustíveis fósseis: Expressa o excedente de energia extraída como resultado da redução da qualidade dos recursos. Unidade: MJ excedente. Em cada uma dessas categorias foi realizada a análise e a quantificação do impacto causado. Os diferentes parâmetros que contribuíram para uma mesma categoria de impacto foram colocados em uma mesma base de cálculo, considerando o efeito relativo de cada um, ou seja, todas as substâncias que contribuem para um determinado impacto foram avaliadas através da grandeza utilizada para aquela categoria estudada. Um exemplo disto são as substâncias que contribuíram para o efeito estufa, todas elas foram somadas na base de massa de CO 2 Eq.(dióxido de carbono equivalente) que é uma grandeza calculada a partir do potencial de aquecimento global de cada substância. Na última etapa da Avaliação de Ciclo de Vida em ACV foi realizada a interpretação, onde foi feita a identificação e análise dos resultados encontrados nas fases de inventário e/ou avaliação de impacto levando em consideração o objetivo e o escopo anteriormente definidos. Foi realizada a identificação das etapas do processo onde ocorreram a maior impactação ambiental, identificando oportunidades para redução de tais impactos, seja através da minimização do uso de recursos não renováveis e/ou de energia, até mesmo na modificação do processo. Para fazer uma avaliação estatística da confiabilidade dos dados obtidos, foi realizado, ainda através do software SimaPro 7.3.2, uma Simulação de Monte Carlo (SMC). Para uma avaliação mais precisa dos dados foi necessário avaliar as categorias de impacto numa mesma unidade, ou seja, uma pontuação única. O caminho para se obter a pontuação única dos dados foi através da normalização e da ponderação dos dados. A Tabela 4 apresenta os fatores de normalização e de ponderação estabelecidos pelo software para este estudo. As proposições de melhorias em parte foram propostas em um novo estudo e avaliadas novamente as categorias de impacto para identificar a efetiva redução do impacto ambiental. 49

51 Tabela 4 - Fatores de normalização e ponderação determinados por SimaPro Categoria de dano ambiental Fator de normalização Fator de ponderação Saúde Humana Qualidade Ecossistemas dos 0, Recursos Naturais 0,

52 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES Antes de discutir os resultados obtidos no software, algumas considerações precisam ser feitas. Primeiramente, o método utilizado para avaliação refere-se às condições Europeias. Desta forma, as alterações de algumas categorias de impacto ambiental estão relacionadas com essa condição. Foram considerados dados apenas dos equipamentos principais de cada etapa do processo. Outras necessidades de materiais e energia necessários ao funcionamento da planta não foram aqui quantificados, como por exemplo, materiais e energia necessário e/ou pequenos equipamentos entre as etapas aqui consideradas, bem como, o consumo de água e energia necessário na estrutura predial, entre outros. O Software SimaPro apresenta os resultados da modelagem em tabelas e gráficos que podem ser visualizados por categorias de impactos (onze categorias para o método EcoIndicator 99) e por categoria de danos ambientais. Apresenta também a tabela de inventário com todos os materiais e energia envolvidos no processo. Em virtude da grande quantidade de materiais e energia envolvidos no processo optou-se por apresentar os resultados utilizando as tabelas e gráficos nas unidades das categorias estudadas e por pontuação única. 5.1 ICV da obtenção de bioetanol a partir de dejetos de gado confinado Para inventariar dos dados foi necessário conhecer todas as etapas do processo para definir as entradas e saídas de materiais e energia. A Erro! Fonte de referência não encontrada. mostra o fluxograma do processo de obtenção do bioetanol a partir de dejeto de gado confinado, com entradas e saídas tecnológicas e da natureza de interesse para a Avaliação do Ciclo de Vida. 51

53 Figura 7 - Produção de bioetanol lignocelulósico considerando o processo de sacarificação e fermentação separado SHF Os dados para o Inventário de Ciclo de Vida (ICV) para o processo de produção de bioetanol foram definidos e utilizados da seguinte maneira: - Experimentação laboratorial: processamento de amostras de dejeto de gado confinado em escala laboratorial. - Tabulação dos dados: construção das tabelas de inventário. - Modelagem dos dados no software: consumo de materiais e energia, fluxo final de resíduos, resíduos para tratamento e emissões para o ar, para a água e para o solo. 52