REDUÇÃO NA POLUIÇÃO DOS LACTICÍNIOS, PELA TRANSFORMAÇÃO DA LACTOSE DO SORO DE QUEIJO EM ETANOL

Transcrição

1 REDUÇÃO NA POLUIÇÃO DOS LACTICÍNIOS, PELA TRANSFORMAÇÃO DA LACTOSE DO SORO DE QUEIJO EM ETANOL Euclídes Honório de Araújo 1 Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Química, Campus Sta. Mônica, , Uberlândia-MG euclides@ufu.br Resumo. Neste trabalho procura-se fazer o estudo da viabilidade de uma destilaria de álcool, a partir do aproveitamento do soro de queijo. O soro se constitui num subproduto de alto teor energético e portanto poluidor, que apresenta uma concentração de lactose em torno de 5%. Dados obtidos em laboratório, na fermentação alcoólica utilizando a levedura Kluyveromyces marxianus conduziram a teores em torno de 20g de etanol por litro de fermentado. Com base nos resultados obtidos em laboratório desenvolve-se um trabalho de elaboração de um estudo de viabilidade econômica e de tempo de retorno do investimento com o intuito de comprovar a viabilidade do processo. Um segundo objetivo foi estabelecer um roteiro que sirva de exemplo aos alunos de graduação, tanto na disciplina de Engenharia Bioquímica como na de Planejamento e Projeto das Indústrias Químicas. Neste artigo são utilizados dados obtidos junto ao trabalho publicado pela Copersucar [1] e o roteiro estabelecido no Livro de Peters & Timmerhaus [2]. Palavras-chave: Etanol de Soro de Queijo, Estudo de Viabilidade Econômica, Poluição em Lacticínios, Fermentação Alcoólica. EMA - 20

2 1. INTRODUÇÃO Relatos da falta de aproveitamento e o conseqüente descarte dos resíduos de lacticínios têm indicado o aumento da poluição nos cursos de água. Segundo Carioca e Arora [3], em 1979 foram produzidas no país 1,3 milhões de toneladas de soro de queijo. Dados mais recentes, contidos no trabalho de Ponsano & Castro-Gomez [4] e, fornecidos pela Associação Brasileira das Indústrias de Queijo, revelam que foram produzidas 3,15 milhões de toneladas de soro de queijo, cujo principal destino é a alimentação de suínos, sendo outra parte utilizada industrialmente na produção de biscoitos e alimentos lácteos em pó. Neste trabalho procura-se demonstrar a viabilidade técnica e, apresentar um estudo preliminar de viabilidade econômica da produção de etanol a partir soro. O tratamento resultante da fermentação do soro, muitas vezes considerado rejeito, torna possível à empresa obter um retorno financeiro de um empreendimento que visa a obtenção do etanol. Os dados utilizados de preços de equipamentos são considerados a partir de cifras obtidas na Ref. [2], assim como a metodologia para se obter uma estimativa baseada no custo dos principais equipamentos. Este trabalho é preliminar e deverá sofrer alterações no intuito de melhorar a visão que se tem do processo. No final do processo fermentativo caberá um tratamento do vinhoto. Como a disposição final dos resíduos provenientes da operação do lacticínio se faz necessária, com ou sem a produção de etanol, deixamos de considerar o efeito do tratamento dos resíduos no presente estudo. 2. ENSAIOS DE FERMENTAÇÃO CONDUZIDOS EM LABORATÓRIO 2.1. Materiais utilizados Soro de queijo. Foi utilizado como material a ser fermentado soro de queijo obtido a partir da produção de queijo mussarela, fabricado pela Cooperativa Agropecuária Ltda. de Uberlândia (CALU). O soro apresentava uma Demanda Química de Oxigênio (DQO) inicial em torno de mg/l, sendo o seu conteúdo em lactose em torno de 50 g/l conforme citado no trabalho de Silva & Castro-Gomez [5]. Microrganismo. Como agente promotor da fermentação foi utilizada uma cepa do microrganismo Kluyveromyces marxianus adquirida junto a Fundação André Tosello de Campinas-SP. Esta cepa é adequada à fermentação de fontes contendo lactose, conforme é relatado no trabalho de Singh et al. [6]. Meio de cultura O meio de cultura utilizado para promover a multiplicação das células do Microrganismo, para serem utilizadas como inóculo, era composto dos seguintes nutrientes expressos em g/l: Glicose 50,0; K 2 HPO 4 4,0; CaCl 2 2,0; MgSO 4 1,0; (NH 4 ) 2 SO 4 3,0; Extrato de levedura 4, Metodologia empregada Preparo do inóculo. Antes do fermentação propriamente dita era preparado o inóculo que consistia em passar o conteúdo de dois tubos de ensaios contendo meio a base de ágar, utilizado para a conservação do microrganismo em laboratório. O conteúdo dos tubos era passado para cinco erlenmeyers contendo cada um 200 ml do Meio de cultura já descrito anteriormente. Os erlenmeyers eram deixados em incubador rotativo por um período de 24 horas, para que uma quantidade suficiente de massa celular fosse obtida. Fermentação. A fermentação foi realizada em minifermentador de 2L, com temperatura controlada de 30 ºC e freqüência de agitação de 300 rpm. O volume útil de fermentação era de 1 L. Após ser colocado o inóculo, de maneira asséptica, na quantidade de 100 ml, iniciava-se a contagem do tempo e era retirada a primeira amostra para análise. As amostras subsequentes eram retiradas a cada 12 horas, sendo analisados: a massa seca, o teor de etanol, a DQO e, medido o ph. Não foi acrescentado ao meio nenhum nutriente além do soro, para proceder à fermentação Equipamento utilizado Minifermentador. Os ensaios para obtenção dos dados foram conduzidos em um minifermentador de 2L da marca New Brunswick (NBS), com controles de temperatura e agitação. Foi utilizado um volume útil de 1L de meio a base de soro de queijo. EMA - 21

3 2.4. Análises realizadas Demanda Química de Oxigênio. Para o acompanhamento do decréscimo da concentração de matéria orgânica optou-se por simplicidade, em dosar-se o teor da Demanda Química de Oxigênio, e o método utilizado foi aquele descrito no Standard Methods [7]. Teor de Álcool. Para dosar-se o teor de álcool no decorrer da fermentação, utilizou-se o método do Dicromato[8]. Concentração celular. A massa seca era determinada retirando-se uma alíquota de 50 ml da amostra coletada do fermentador. Este volume era filtrado à vácuo utilizando-se papel de filtro tipo 10, previamente pesado, para separação da levedura do resto da solução e, logo em seguida colocado em uma estufa à temperatura de 80 C até a obtenção de massa constante. O papel de filtro era novamente pesado e a massa de células era obtida pela diferença entre as massas, inicial e final do papel de filtro. Para as pesagens, utilizava-se uma balança analítica com sensibilidade de 0,1 mg. 3. ESTIMATIVA PRELIMINAR DO INVESTIMENTO PARA UMA INSTALAÇÃO PARA PRODUÇÃO DE ÁLCOOL A PARTIR DO SORO DE QUEIJO 3.1. Métodos de estimativas Conforme definição apresentada na Ref. [2] pode-se dividir as estimativas de investimento em cinco níveis, de acordo com as suas amplitudes de precisão, que variam de ±40% até ±5%, para: a) estimativa de ordem de grandeza, b) estimativa de estudo, c) estimativa preliminar, d) estimativa definitiva e, e) estimativa detalhada. Para se atingir níveis mais precisos de acerto na estimativa é necessário se ter um projeto mais detalhado, mas ao mesmo tempo o projeto só deve avançar, na medida que as informações recolhidas, pela espiral do conhecimento, sobre o projeto forem suficientes, conforme relatado no trabalho de Nilson Holanda[9]. Estas informações contêm dados sobre: mercado, engenharia, investimento, custos, tamanho e localização e, financiamento; estes dados devem recomendar o avanço no detalhamento do projeto. No que se refere aos métodos de estimativas propriamente ditos, na Ref. [2] são discutidos sete métodos, que demandam em ordem decrescente, menor exigência no detalhamento do projeto, a saber: A) Estimativa detalhada por item, B) Estimativa por unidade de custo, C) Estimativa através da porcentagem do custo dos equipamentos, D) Estimativa pelo Fator de Lang, E) Estimativa pelo fator dos seis décimos, F) Estimativa através da capacidade de produção e G) Estimativa pela taxa bruta de retorno Produção de projeto Com base nos resultados obtidos em laboratório adota-se para efeito de estudo, uma destilaria com uma produção diária de L/dia de etanol, trabalhando 24 horas por dia com uma operação projetada para 300 dias por ano. Foi tomado como base de projeto, um lacticínio processando L/dia de leite, utilizando 50% da sua recepção diária para a produção de queijo, o que corresponde a L de leite para a produção de queijo, que resulta numa quantidade de L/dia de soro, o que significa produzir uma quantidade aproximada de 5,1 milhões de litros de etanol por ano. Um estudo para uma destilaria de maior capacidade conduziria a um investimento relativamente menor, bem como os custos de produção do etanol seriam abaixados pela economia de escala. O objetivo deste trabalho é didático e, visa apresentar o resultado de um estudo preliminar, ao mesmo tempo que procura suscitar a discussão Custo de aquisição dos equipamento principais A Ref. [1] serviu de base para determinar os equipamentos principais, sendo que os custos aproximados dos equipamentos foram levantados para uma destilaria operada de forma contínua, com um tempo de fermentação de 4 horas. Na Tabela 1 são apresentadas as quantidades e o custo total por equipamento. A fonte consultada pode ser encontrada na Ref. [2], possíveis discrepâncias com os custos nacionais são compensadas pelo método escolhido para a estimativa, que agrega outros custos como será visto no item 3.4. Deve-se ressaltar que o custo de um dólar foi fixado em R$2,34. EMA - 22

4 Tabela 1. Levantamento dos custos de aquisição dos equipamentos principais Ordem Item Quanti Descrição Capacidade Custo Unit. Custo Total dade Em U$ Em Reais 1 Dorna 1 Aço ASTM m Dorna 2 Aço ASTM m Bomba Centrífuga 2 Para o Trocador de 10 gal/min Calor 4 Bomba Centrífuga 4 Para bombear vinho 15 gal/min Filtro 1 Para vinho, 2kgf/cm 2 40 m 3 /h Centrífuga 4 Para levedura 10 m 3 /h Decantador 1 Para levedura 20 m 3 /h Coluna de Absorção 1 Para gás Carbônico 2 m 3 /h Coluna de 1 Para álcool hidratado 25m 3 /dia Destilação 10 Trocador de Calor 1 Casco e Tubo 10 m Compressor 1 Anel liquido 10 ft 3 /min Peneira estática 1 DSM 0,2 mm 1 m Hidrociclone 3 Aço inox 1 m 3 /h Total Estimativa do investimento fixo total O método utilizado para estimativa do investimento total da destilaria, foi o Método B - Estimativa por unidade de custo. Levando-se em consideração que o sistema é de processamento de líquido, os itens da Tabela 2 com suas respectivas porcentagens foram mantidos, conforme recomendado na Ref. [2], com exceção da aquisição de terreno, uma vez que é suposto que a empresa dispõe de área e, irá operar a destilaria anexa à produção de queijo. Foi utilizado, para simplificar, como custo de aquisição dos equipamentos o valor de R$ Tabela 2. Investimento total para uma destilaria com capacidade de L/dia Ordem Item Porcentagem Cifras em R$ 1 Custo dos equipamentos principais Custo de instalação dos equipamentos 0, Instrumentação e controles instalados 0, Tubulação instalada 0, Instalações elétricas 0, Edificações 0, Instalações para utilidades 0, Total do Investimento Direto Custo de engenharia e supervisão 0, Despesas de construção 0, Total do Investimento Indireto Total dos Investimentos (Direto + Indireto) Contingências 0, Despesas com empreiteiros 0, Total Geral de Investimento Como pode ser observado pela Tabela 2 a partir de custo inicial de R$ , foi alcançado um valor total de investimento de R$ , mas tendo em vista que esta destilaria não pode ser comparada exatamente com uma instalação química mais complexa, o investimento encontrado estará certamente majorado, o que compensaria possíveis erros no levantamento inicial do custo dos equipamentos principais. Uma outra estimativa, mais conservadora pode ser feita utilizando-se o método D) Estimativa pelo Fator de Lang; neste caso se considera a destilaria como uma instalação química sofisticada, no sentido de possuir mais equipamentos de automação e controle, aí sim, o fator de Lang a ser aplicado é igual a 5,7 o que dá como valor do Investimento Total necessário de (5,7)XR$ =R$ , ou um valor estimado em torno de 1,3 milhões de reais, com uma precisão de acerto de mais ou menos 30% em torno do valor de R$ EMA - 23

5 3.5. Estimativa do custo total de produção A estimativa do custo de produção do etanol pode ser feita com base no fato de que a matéria-prima básica, soro de queijo, tem custo de aquisição praticamente zero para a empresa, que tem que arcar com o ônus do descarte deste resíduo. O descarte pode ser feito com a implantação de uma destilaria, com um acréscimo no fluxo de caixa da empresa. No custo estimado de produção procurou-se levar em consideração os principais itens que compõem o custo de fabricação, contudo deve-se ressaltar que a empresa poderá economizar, se fizer uso dos vários insumos que já estão disponíveis, como: utilidades, mão de obra, reagentes, administração, laboratório de análises, supervisores. Tudo isto mostra que num estudo preliminar as várias estimativas não são precisas, mas servem para iniciar um estudo de implantação de uma instalação. Na Tabela 3 é apresentada um levantamento de custos, que procura levar em conta os principais itens envolvidos. Com base no custo de produção é possível se chegar ao custo unitário de produção do etanol, através da relação R$( )/( )=0,098, o que corresponde a um custo de aproximadamente 10 centavos de reais por litro de etanol. Considerando que o preço atual do litro de álcool hidratado no varejo atinge até R$1,80, é de se supor que se os custos de produção, aqui estimados, forem multiplicados por três, ou seja atingir um custo de 30 centavos, ainda assim vale a pena se fazer um estudo completo de retorno do investimento. Vale lembrar que o custo do álcool anidro conforme o jornal Gazeta Mercantil, tem seu preço de venda oscilando em torno de R$0,60/L. Tabela 3. Estimativa do Custo total anual do etanol produzido Ordem Item Custos anuais em (R$) 1 Mão de obra Supervisão Utilidades Manutenção e reparos Reagentes Depreciação Impostos Seguro Administração Vendas Financiamento Total Estudo de viabilidade econômica com a taxa interna de retorno (TIR) Para efeito de estudo da taxa de retorno do capital, será feita uma simulação com uma produção anual de etanol de 5,1 milhões de litros, com um custo de produção de R$0,30 e um preço de venda do produto de R$0,40, para um projeto de 10 anos. Será considerado como valor do investimento necessário um montante de um milhão de reais. A taxa de Imposto de Renda será calculada na porcentagem de 35% sobre o lucro tributável. Será admitido ainda, que a empresa não necessita de financiamento para instalar a sua planta, isto será feito apenas para simplificar os cálculos, pois o resultado final não deve se alterar substancialmente. Na Tabela 4 são apresentados os resultados para o fluxo de caixa antes e após o Imposto de Renda, sendo o último utilizado para o estudo da rentabilidade. Feitos os cálculos da TIR obtém-se para as condições definidas, e extremamente desfavoráveis para a empresa, um valor de taxa de retorno de 26,2% ao ano. Este resultado é obtido em condições muito adversas para a empresa, ou seja, ganho bruto de apenas R$0,10 por litro de álcool, com um prazo de maturação do projeto de 10 anos e com investimento inicial de 1,3 milhões de reais. Neste caso o ganho anual seria o menor possível. Imaginando-se outros cenários mais favoráveis, como por exemplo um lucro bruto em torno de R$0,30 por litro de etanol; com este valor a taxa de retorno passaria a ser 79,8 % ao ano. Finalmente uma outra simulação que poderia ser feita, seria considerar uma lucro bruto de R$0,20/L, o que daria uma faturamento bruto anual de R$ e, se considerarmos um investimento de 1,69 milhões de reais e tudo o mais constante, a taxa de retorno neste caso seria de 41,4% ao ano, sobre o capital investido. EMA - 24

6 Tabela 4. Fluxo de Caixa com capital próprio, após o imposto de renda F.C. antes IR Depreciação Lucro Tribut. I.R. (35%) F.C. após o IR Ano CONCLUSÕES A principal motivação do trabalho foi analisar o problema sob o ponto de vista econômico. Partindo-se da idéia de utilizar um resíduo, desenvolveu-se o experimento no laboratório e, após isto foi feito um levantamento com as dificuldades que ainda temos com relação aos preços de aquisição de equipamentos. Como resultado final, chega-se a conclusão que o processo é tecnicamente factível e sob o ponto de vista econômico merece ser estudado. Mesmo numa situação desconfortável onde se tivesse um ganho bruto de apenas R$0,20 por litro de álcool, e se fosse exigido um investimento inicial de 1,69 milhões de reais, com um prazo de amadurecimento do projeto de dez anos, o retorno seria de 41,4% ao ano. Como foi mostrado, o valor mais provável do investimento se situa em torno de 1,3 milhões de reais e, como o lucro bruto deve ficar em torno de R$0,30 por litro de álcool, isto torna o investimento altamente atrativo. Dificuldades inerentes à manipulação do soro poderão ocorrer, mas através de uma produção orientada ou mesmo com a utilização de processos de separação, será possível se trabalhar com a lactose mais pura, com a vantagem de se obter outros produtos de interesse comercial, mas isto deverá fazer parte de um outro estudo mais elaborado. Finalmente pode-se concluir com o estudo preliminar, que um projeto nos moldes apresentado merece ser aprofundado e até mesmo implementado. 5. REFERÊNCIAS [1] COPERSUCAR, Fermentação, CTC, Piracicaba: 2 V. 1987, pp [2] M. S. Peters and K. D. Timmerhaus, Plant Design and Economics for Chemical Engineers, McGraw- Hill, NY: 4ed 1991, pp [3] J. O. B. Carioca and H.L. Arora, Biomassa Fundamentos e Aplicações Tecnológica, UFC, Fortaleza: 1984, pp [4] E.H.G. Ponsano and R.J.H. Castro-Gomez, Fermentação do Soro de Queijo por Kluyveromyces fragilis como uma alternativa para redução de sua capacidade poluente, Ciência e Tecnologia de Alimentos, 15(1): , jul-dez. 1995, pp [5] C.A. Silva and R.J.H. Castro-Gomez Estudo de um processo fermentativo utilizando soro de leite e a levedura Kluyveromyces fragilis, Semina:Ci. Agr., Londrina, v.16, n.1, mar. 1995, pp [6] D. Singh, I.M. Banat and R. Marchant, Industrial scale ethanol production using the thermotolerant yeast Kluyveromyces marxianus IMB3 in an Indian distillery, Biotechnology Letters. Vol. 20, n. 8, Aug. 1998, pp [7] Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, Am. Public. Health Assoc., Washington DC: 17 ed [8] M. A. Joslin Methods in Food Analysis, Academic Press, NY: 2ed EMA - 25