AVALIAÇÃO DE RENDIMENTO DA POLPAÇÃO DA PALHA DE MILHO UTILIZANDO O PROCESSO ORGANOSSOLVE

Transcrição

1 AVALIAÇÃO DE RENDIMENTO DA POLPAÇÃO DA PALHA DE MILHO UTILIZANDO O PROCESSO ORGANOSSOLVE C. S. DETTOGNI 1, F. P. PUGET 2, J. R. C. MEIRELES 1, L. P. L. FABRIS 1 e V. P. PAIXÃO 1 1 Faculdades Integradas de Aracruz (FAACZ/FSJB), Centro de Engenharia Química 2 Instituto Federal do Espírito Santo (IFES)/Campus Aracruz para contato: carolinedettogni@hotmail.com RESUMO Devido a grande geração de palha de milho e a escassez de métodos eficientes que aproveitem esse resíduo de modo a removê-lo do meio ambiente, propõe-se neste trabalho realizar a polpação etanol-soda deste material. Os cozimentos foram realizados a temperatura de 155 C e concentração de NaOH de 10% em relação à massa de matéria-prima seca. Empregando o DCCR foi obtido um total de 17 experimentos para que se pudesse observar a influência da relação solvente/palha (4/1 a 8/1L/kg), concentração de etanol no licor de cozimento (20 a 50% v/v) e tempo de reação (30 a 180 minutos) no processo de polpação. Os resultados encontrados mostraram que, nos intervalos investigados, para se obter altos rendimentos (em torno de 62%), deve-se manter a relação solvente/palha baixa (4/1 a 6/1 L/kg), concentração de etanol alta (35 a 50%) e tempo de reação baixo (35 a 105 min). 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos a produção de milho vem crescendo consideravelmente. Em 2014 o Brasil produziu aproximadamente 78,7 milhões de toneladas de milho (IBGE, 2015). Durante a colheita do milho uma grande quantidade de palha de milho é gerada, sendo que esta geração corresponde a 14% do peso dos grãos (BOSE & MARTINS FILHO, 1984 apud PAULA, 2010). Tomando por base esta percentagem e a produção total de milho no Brasil no ano de 2014, pode-se obter um uma produção total de palha de milho de aproximadamente 11 milhões de toneladas. Apesar de sua grande disponibilidade, a palha de milho, em sua maior parte, é incinerada ou utilizada como cama de animais, sendo que sua aplicação em meios que podem gerar renda e evitar o seu descarte é limitada (PAES et al., 2008). A palha de milho é um material lignocelulósico que possui teor de holocelulose (celulose e

2 hemicelulose) entre 69,4% a 78,2%, teor de lignina total entre 2,3% e 23,8% e teor de extrativos entre 6,7% e 18,9% (SALAZAR et al., 2005; BIANCHI, 1995; MENDES, 2014). Em virtude do teor apreciável de holocelulose presente neste material, ele pode ser utilizado para produção de polpa de celulose. Para realizar a produção da polpa de celulose é necessário fazer a separação da holocelulose, substância esta responsável pelo rendimento do processo, das demais substâncias encontradas nas fibras vegetais (lignina e extrativos). Este processo de separação é conhecido como processo de polpação ou cozimento (CARVALHO, 2012; MARANESI, 2010). Dentre os processos de polpação, o processo Kraft merece destaque, pois, através dele, cerca de 60% da celulose mundial é produzida. Através deste processo se obtém uma polpa de qualidade, se consegue uma melhor recuperação de reagentes e uma maior eficiência energética. Entretanto, as desvantagens apresentadas por este processo, principalmente relacionadas a questões ambientais, tais como, formação de compostos de enxofre gerando mau cheiro e poluição do ar e a alta coloração dos efluentes hídricos, são de elevada significância (CARVALHO, 2012; MAMBRIM FILHO, 1989, RUZENE, 2005). Uma alternativa ao processo Kraft é o processo organossolve. O processo organossolve pode apresentar rendimento superior ao processo Kraft e requer um menor investimento para a construção de uma planta. Além disso, resulta em um menor impacto ambiental, pois, não usa enxofre como em outros processos e os solventes utilizados são facilmente recuperados (BIANCHI, 1995; CARVALHO, 2012; MAMBRIM FILHO, 1989). Dentre os processos organossolve existentes, o processo de polpação etanol-soda se destaca. Por ser um álcool primário de cadeia curta, o etanol, além da baixa toxidade, promove uma elevada razão de deslignificação, é facilmente recuperado via destilação simples e o custo de aquisição é baixo. Além disso, quando o etanol é utilizado em meio básico, uma maior seletividade e rendimento em relação ao processo Kraft são obtidos (CARVALHO, 2012; MAMBRIM FILHO, 1989). Este trabalho tem como objetivo averiguar o rendimento da polpa de celulose produzida através do processo etanol-soda em diferentes condições operacionais utilizando como matériaprima a palha de milho. 2. MATERIAIS E MÉTODOS A palha de milho verde foi fornecida por um comerciante autônomo do município de Aracruz ES. Esta foi cortada a um tamanho aproximado de 2 x 2 cm com uma tesoura e posteriormente colocada ao sol por 7 dias para secar.

3 2.1. Planejamento Experimental Para a otimização dos ensaios de polpação, foi aplicado o Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) para três variáveis. O modelo contém dezessete ensaios procedentes da Equação 1 (CARVALHO, 2012, p.77), sendo estes com oito pontos fatoriais (níveis ± 1), seis pontos axiais (níveis ± α) e três pontos centrais. O nível α assegura a rotabilidade do delineamento e é calculado através da Equação 2 (CAMORIM, 2008, p.81). Onde n é o número de ensaios a serem feitos, K é o número de variáveis independentes aplicadas, nc é o número de vezes que o ponto central foi repetido e α é a distância do centro do delineamento até o nível axial. Se K < 5; p=0; e Se K 5; p=1. A Tabela 1 contém os valores empregados no planejamento que avaliou a influência das variáveis independentes: relação entre solvente e palha (x 1 ), concentração de etanol no licor de cozimento (x 2 ) e a tempo de reação (x 3 ). Tabela 1 Valores empregados no DCCR para três variáveis Variáveis Independentes Níveis Código -α* α* Solvente/palha (L/kg) SP 4/1 5/1 6/1 7/1 8/1 Concentração etanol no licor de cozimento (%) C Tempo de reação (min) t α* = ±1,68 para K = 3 A realização dos ensaios de polpação foi executada de modo aleatório objetivando a minimização dos efeitos incompreensíveis das variáveis respostas. Tabela 2 - Valores codificados das variáveis independentes no DCCR Ensaios x ,68 1, x ,68 1, x ,68 1, (1) (2)

4 2.2 Processo de Polpação As polpações foram realizadas de acordo com o DCCR apresentado, sendo executadas no Centro de Tecnologia da Fibria Celulose S.A. Unidade Aracruz. Para cada cozimento foram adicionadas nas cápsulas da autoclave (CRS autoclave 2.0): 100 g base seca de palha de milho; mistura etanol-água, com concentração de etanol variando de 20 a 50 v/v; relação solvente/palha variando de 4/1 a 8/1 e 10% NaOH com base na matéria seca (palha seca). Os cozimentos foram realizados a temperatura de 155±5 C em um tempo de cozimento variando de 30 a 180 minutos. Após os cozimentos as polpas foram lavadas em um funil de Büchner com água desmineralizada a 60 C. Na sequência as polpas foram desagregadas em desagregador de polpa (Lorentzen & Wettre Pulp Disintegrator - Code 260), e drenadas em funil de Büchner. O rendimento bruto da polpa foi calculado a partir da Equação 3. (3) Onde m c é a massa de polpa após a polpação e m pc é a massa de palha de milho seca no início do cozimento. 2. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados apresentados neste trabalho, foram analisados estatisticamente e realizada uma comparação dos resultados obtidos com uma referência do relatório CT Fibria (2014) de cozimento Kraft de eucalipto Rendimento Realizou-se a análise de variância (ANOVA) utilizando o software Action 2.5 para os dados referentes ao rendimento bruto. Adotando um nível de confiança de 90%, representado pelo critério estatístico p-valor menor que 0,1, pode-se assegurar que as três variáveis influenciaram de alguma forma o rendimento bruto. Observou-se a influência da concentração na sua forma linear e quadrática, a influência da relação solvente/palha na sua forma quadrática e a influência das interações existentes entre estas três variáveis, mais especificamente, entre concentração e relação solvente/palha, assim como entre tempo e relação solvente/palha e entre as três variáveis independentes. Pode-se afirmar que as demais interações não foram significantes dentro da faixa estabelecida para as três variáveis resposta.

5 Estabelecido quais as variáveis que influenciaram no rendimento bruto, realizou-se uma nova análise de variância apenas com as interações relevantes. Tabela 3 - Análise de variância para os efeitos exclusivos no rendimento Fatores Grau de Soma de Quadrado Estat. F p-valor Liberdade Quadrados Médio C 1 32, , ,2610 0,0150 I(SP^2) 1 19, ,6473 6,1755 0,0419 I(C^2) 1 17, ,4476 5,4841 0,0517 C:SP 1 30, ,8607 9,7001 0,0170 SP:t 1 54, , ,1162 0,0044 C:SP:t 1 31, ,1299 9,7848 0,0167 Residuais 7 22,2703 3,1815 % variação aplicada (R 2 ) = 90,06 F tab. = F 0,1;6;7 = 2,83 Através do coeficiente de rendimento e dos valores de F calculado e F tabelado pode-se validar a análise de variância. Com um coeficiente de regressão (R 2 ) de 90% e um F calculado vinte vezes maior que o F tabelado, pode-se afirmar que o modelo se enquadra aos dados experimentais. Sendo F calculado estimado pelo somatório de Estat. F. Por meio de regressão, foram estimados os coeficientes para o modelo matemático codificado. O rendimento bruto é representado pela Equação 11 calculada pelo modelo em função das variáveis codificadas. A partir da Equação 11, pode-se calcular o rendimento para os 17 experimentos. O rendimento calculado possibilitou o cálculo do erro relativo pela Equação 12. Para este estudo, o erro relativo foi baixo, tendo maior erro relativo de 7,17%, apontando a eficácia do modelo obtido no cálculo do rendimento. (1) (12)

6 Figura 1 - Curva de contorno e superfície de resposta para um rendimento (%) em função da relação solvente/palha e da concentração de etanol no licor de cozimento a) e b), da relação solvente/palha e do tempo de reação c) e d) e da concentração de etanol no licor de cozimento e do tempo de reação e) e f).

7 Através do Figura 1, pode-se observar a obtenção de um maior rendimento quando a relação solvente/palha tende a ser baixa, a concentração de etanol no licor de cozimento tende a ser alta e quando o tempo tende a ser baixo dentro da faixa estudada. Na Figura 2 estão representado os redimentos obtidos em cada cozimento. Figura 2 - Rendimento bruto da polpação etanol-soda. A Figura 2, apresenta os resultados das polpações etanol soda, apresentando rendimentos bruto de 53,8 a 69,7%. O cozimento referência Fibria apresentam rendimento bruto de 52,2%, comprovando o que descreve Bianchi (1995), Carvalho (2012) e Mambrim Filho (1989), sobre o rendimento em processos organossolve serem superiores aos do processo Kraft. 4. CONCLUSÃO Os melhores resultados para rendimento foram obtidos na faixa experimental com uma concentração de etanol no licor de cozimento entre 35% a 50% v/v, relação solvente/palha de milho entre 4/1 e 6/1 (L/kg) e tempo de reação de 30 a 105 minutos, sendo que a temperatura e o álcali efetivo foram fixados em 155 C e 10% base matéria seca, respectivamente. Os resultados encontrados mostraram que, nos intervalos investigados, foram obtidos altos rendimentos, em torno de 62%. 6. REFERÊNCIAS BIANCHI, M. L. Polpação de palha de milho utilizando-se diferentes processos Organosolv. Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP, Campinas - SP, 1995.

8 CAMORIM, J. E. V. Estudo comparativo das aproximações baseadas no método de decomposição paramétrico para avaliar rede de filas de manufatura utilizando planejamento de experimentos. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de São Carlos UFSCar, CARVALHO, D. M. Caracterização físico-química e polpação etanol/soda do bagaço e da palha de cana-de-açúcar. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Viçosa - UFV, Viçosa - MG, FIBRIA CELULOSE S.A. Relatório interno - Cozimento em laboratório: Processo Kraft. Aracruz/ES IBGE, <ftp://ftp.ibge.gov.br/producao_agricola/fasciculo_indicadores_ibge/estprod Agr_ pdf>, acessado em maio de MAMBRIM FILHO, O. Processo híbrido de polpação etanol-soda de madeira de eucalipto com baixo teor alcoólico. Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP, Campinas - SP, MARANESI, G. L. Influência de variáveis do processo de produção industrial na qualidade da polpa Kraft de eucalipto. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Viçosa - UFV, Viçosa - MG, MENDES, C. A. C. Caracterização e utilização do resíduo de palha de milho para obtenção de nanocelulose. Dissertação de Mestrado. Universidade do Estado do Rio de Janeiro - UERJ, Rio de Janeiro - RJ, PAES, M. C. D.; TEIXEIRA, F. F.; MARTINS, I. S. Composição química da palha de milho com qualidade para artesanato Disponível em: < Acesso em maio de PAULA, L. E. R. Produção e avaliação de briquetes de resíduos lignocelulósicos. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Lavras UFLA, Lavras - MG, RUZENE, D. S. Obtenção de polpas de dissolução por processo organosolv a partir de palha ou bagaço de cana de açúcar. Tese de Doutorado. Faculdade de Engenharia Química de Lorena, Lorena - SP, SALAZAR, R. F. S., SILVA, G. L. P., SILVA, M. L. C. P. Estudo da composição da palha de milho para posterior utilização como suporte na preparação de compósitos. VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica, 2005.