UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA TAÍS SOARES FRANCISCO

Transcrição

1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA TAÍS SOARES FRANCISCO Simulação de uma etapa de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira para a produção industrial de polpa celulósica Lorena - SP 2014

2 TAÍS SOARES FRANCISCO Simulação de uma etapa de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira para a produção industrial de polpa celulósica Monografia apresentada à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo como requisito para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Industrial Química Orientador: Prof. Dr. André Luis Ferraz Lorena - SP

3 AGRADECIMENTOS Ao Prof. Dr. André Luis Ferraz que muito me ensinou e orientou durante o período de elaboração deste trabalho. 3

4 RESUMO FRANCISCO, T. S. Simulação de uma etapa de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira para a produção industrial de polpa celulósica f. Trabalho de Conclusão de Curso - Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, O presente trabalho verificou a viabilidade econômica da implantação de uma planta piloto de biotratamento fúngico de cavacos de Eucalyptus grandis em escala industrial. Esse pré-tratamento que antecede a polpação termomecânica (TMP) e quimiotermomecânico (CTMP) tem o potencial de melhorar importantes propriedades mecânicas da polpa e de reduzir o consumo de energia necessária para o seu refino, foco do biotratamento. Um modelo de planta industrial para a biopolpação, baseado na planta piloto implantada em Caieiras com adaptações para inibir o crescimento de contaminates, foi desenvolvido no programa de simulação Aspen Plus que permitiu a obtenção do balanço de massa e energia para o biotratamento. Tais parâmetros foram fundamentais na determinação do custo final do biotratamento, que no melhor dos cenários abordados foi de R$33,00 por tonelada de cavaco tratado. Palavras-chave: Biopolpação. Simulação de bioprocessos. 4

5 ABSTRACT FRANCISCO, T. S. Simulation of a fungal pretreatment of wood chips for the industrial production of pulp f. Final Project - Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, This final project verified the economic feasibility of implementing a fungal bioprocessing pilot plant that treats Eucalyptus grandis chips on an industrial scale. This pretreatment acts prior to thermomechanical pulping (TMP) and chemithermomechanical (CTMP) and has the potential to improve relevant mechanical properties of the pulp and to reduce the energy consumption required for its refining, focus of the biotreatment. An industrial plant model for biopulping, based on pilot plant established in Caieiras with some adaptations to inhibit the growth of contaminants, was developed in the software Aspen Plus that afforded the mass and energy balance for the biotreatment. These parameters were fundamental in determining the final cost of biotreatment, which in the best of scenarios discussed was R$ per ton of treated chips. Keywords: Biopulping, Bioprocess simulation 5

6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Layout de montagem do equipamento para construção da pilha de cavaco Figura 2 - Consumo de energia nos discos de refinação (MWH) durante processos de TMP e CTMP, utilizando cavaco controle e cavaco biopolpado de madeira Eucalyptus grandis Figura 3 - Consumo de energia na refinação do cavaco controle e do cavaco biotratado para os processos de TMP e BioTMP; CTMP e BioCTMP 16 Figura 4 - Fluxograma simplificado do processo de pré-tratamento fúngico de descontaminação Figura 5 - Processo de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira para a produção industrial de polpa celulósica desenvolvido no Aspen Plus 22 Figura 6 - Etapa de descontaminação Figura 7 - Estrutura de um tanque agitado Figura 8 - Centrifuga de decantação Figura 9 -. Etapa de inoculação Figura 10 - Estrutura de um misturador cone duplo rotativo Figura 11 - Etapa de inoculação Figura 12- Rosca transportadora Figura 13- Esteira transportadora Figura 14- Composição do custo da biopolpação nos diferentes cenários, sem o reciclo de água Figura 15 -Benefício econômico devido ao emprego da biopolpação 1. Custo de energia elétrica a R$ 164,00/MWh; 2. Custo de energia elétrica a R$249/MWh cavacos de madeira (sem o reciclo de água) Figura 16- Composição do custo da biopolpação nos diferentes cenários, com o reciclo de água Figura 17 -Benefício econômico devido ao emprego da biopolpação 1. Custo de energia elétrica a R$ 164,00/MWh; 2. Custo de energia elétrica a R$249/MWh cavacos de madeira (com o reciclo de água)

7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Preços de algumas utilidades e materiais usados no biotratamento Tabela 2 - Tarifas médias de água e eletricidade praticadas em São Paulo no ano de Tabela 3 Custo do biotratamento excluindo os gastos com água e eletricidade 30 Tabela 4 Custo com água e eletricidade utilizados no biotratamento que não inclui o reciclo de água Tabela 5 - Custo final em R$/h do biotratamento de cavaco de madeira a uma produção de 2,2 ton/h (sem reciclo de água) Tabela 6 - Custo final do pré tratamento fúngico nos diferentes cenários (sem reciclo de água) Tabela 7 - Redução no custo de produção de polpas dependo da economia de energia gerada pela biotramento Tabela 8 - Custo final do pré tratamento fúngico nos diferentes cenários (com o reciclo de água)

8 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Contextualização Justificativa Objetivo REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Polpação Polpação mecânica Polpação termomecânica (TMP) e quimiotermomecânica (CTMP) Biopolpação Inoculação da madeira Planta piloto de biopolpação Descontaminação do cavaco Simulador Aspen Plus METODOLOGIA Parâmetros para simulação no Aspen Plus Avaliação econômica RESULTADOS Etapa de descontaminação Etapa de inoculação Etapa de incubação Avaliação econômica Biotratamento sem o reciclo de água Biotratamento com reciclo de água CONCLUSÃO REFERÊNCIAS

9 1. INTRODUÇÃO 1.1 Contextualização Atualmente, o Brasil é o quarto maior produtor de celulose do mundo e o nono na produção de papel. Apesar das posições de destaque, o Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE) afirma que a performance do Brasil poderia ser melhor devido às condições edafoclimáticas muito favoráveis, terras disponíveis e tecnologia florestal que o país possui (SANTOS, 2013). Parte significativa da produção de celulose e papel nacional é destinada à exportação. De acordo com dados da Bracelpa, em 2013, 62,3% da produção nacional de pasta de celulose foi destinado à exportação e 17,9% do papel produzido teve o mesmo destino (BRACELPA, 2014). Os principais desafios da indústria de celulose e papel no Brasil são: manter a liderança mundial na produção e exportação de celulose branqueada de fibra curta; aumentar a competitividade na produção de papel; modernizar as fábricas que produzem papel a partir de aparas e melhorar a atual estrutura de suprimento desse insumo; aumentar a produção de produtos de maior valor agregado; incrementar sua imagem, no Brasil e no exterior, como uma indústria verde que se preocupa em minimizar seus impactos ambientais negativos e consumir o máximo possível de fontes renováveis de energia ao longo de toda a sua cadeia produtiva; e expandir a área de florestas plantadas do setor para fomentar o potencial subotimizado da produção de celulose e papel do Brasil para atender a demanda maior gerada no cenário de biorrefinaria (SANTOS, 2013, p 42). O custo da energia elétrica nesse tipo de indústria é elevado, logo, ganhos de eficiência energética podem propiciar reduções significativas de custos. Dentre as ações e tecnologias que podem propiciar ganhos de eficiência energética será abordado nesse trabalho o processo de biopolpação, ou seja, o pré-tratamento microbiológico do cavaco de madeira utilizado na polpação. Esse pré-tratamento tem o potencial de reduzir o consumo de energia necessária durante o desfibramento e refinamento dos cavacos de madeira, e ainda melhorar importantes propriedades mecânicas (PAVAN, 2008). O trabalho empregou simulações de planta de biotratamento em ambiente 9

10 Aspen Plus polpação mecânica. para avaliar a viabilidade econômica desse tratamento na etapa de 1.2 Justificativa Sabe-se que a biopolpação reduz o custo energético na etapa de refino, porém não é conhecido o custo total desse pré-tratamento fúngico (PAVAN, 2008). A criação de um modelo para o processo de pré-tratamento através de um programa computacional propiciou estimar o custo operacional do biotratamento, valor ainda desconhecido. 1.3 Objetivo O objetivo deste trabalho foi simular no programa de computador Aspen Plus uma estação de biotratamento de cavacos de madeira que atenda a demanda de produção em escala industrial e analisar sua viabilidade econômica. Para atingir este objetivo, o trabalho foi dividido nas seguintes etapas: a) Simular um processo de biotratamento com inoculação por aspersão; b) Simular um processo de biotratamento com inoculação por "semente"; c) Com base nas simulações, avaliar o custo da etapa de pré-tratamento biológico, biotratamento (a) e (b); d) Avaliar a viabilidade financeira da polpação termomecânica e quimiotermomecânica que emprega madeira biotratada como insumo. 10

11 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Polpação Polpação é a técnica de conversão de madeira em polpa celulósica, através da separação de suas fibras. A polpação pode ser realizada basicamente por processos químicos e/ou mecânicos. Contudo, para se obter uma polpa com as características adequadas para a sua futura aplicação, indústrias adotam processos de polpação mais avançados ou a combinação de diferentes processos, sendo que a escolha depende da matéria-prima a ser utilizada e do produto final que se pretende obter (BLECHSHMIDT; HEINEMANN, 2006). O presente trabalho está principalmente baseado na operação de uma planta piloto para biotratamento de cavacos, desenvolvida por Pavan (2008), que antecede a polpação termomecânica (TMP) e quimiotermomecânico (CTMP) de obtenção de polpa celulósica em escala industrial. Logo, faz-se necessário entender melhor os processos de polpação mecânica. 2.2 Polpação mecânica Na polpação mecânica, o desfibramento da madeira é causado pelo atrito de troncos contra uma superfície abrasiva em rotação ou pelo desfibramento de cavacos em refinadores de disco que também giram a altas velocidades. Isso causa o colapso da lignina e consequente rompimento da estrutura lamelar, liberando as fibras da madeira. Como grande parte da lignina permanece retida na polpa, o rendimento de polpa nestes processos é elevado, usualmente entre 90% e 95% (CUNHA, 2012). São considerados como processos mecânicos de polpação: 1) Processos de moagem: SGW (Stone groundwood) - Moagem com pedra; TGW (Thermo groundwood) Moagem com pedra sob alta temperatura; PGW (Pressure groundwood) - Moagem com pedra sob pressão. 2) Processos de refino: RMP (Refiner mechanical pulp) - Polpação mecânica por refinamento; TMP (Thermo-mechanical pulp) - Polpação termomecânica; CMP (Chemimechanical pulp) - Polpação quimiomecânica; CTMP 11

12 (Chemithermomechanical pulp) - Polpação quimiotermomecânica (BIERMANN, 1993; BLECHSHMIDT; HEINEMANN, 2006; EK; GELLERSTEDT; HENRIKSSON, 2009) Polpação termomecânica (TMP) e quimiotermomecânica (CTMP) Na polpação termomecânica (TMP) a madeira, sob forma de cavacos, sofre um aquecimento com vapor (em tomo de 140 C), sob pressão, provocando na madeira e na lignina uma transição do estado rígido para um estado plástico, seguindo para o processo de desfibramento em refinador a disco. A pasta obtida desta forma tem um rendimento um pouco menor do que no processo mecânico (85 a 90%), mas resulta em celulose para a produção de papéis de melhor qualidade, ou seja, com maior resistência mecânica e melhor imprimabilidade (NAVARRO, 2004). A polpação quimo-termomecânica (CTMP), derivada da TMP, resulta do desfibramento, em desfibrador de disco, sob pressão, de cavacos, serragem de madeira ou resíduos agrícolas, previamente tratamento com sulfito de sódio ou álcali. Seu rendimento é cerca de 90% (BERNI, 2010). 2.3 Biopolpação A biopolpação da madeira é utilizada como uma etapa prévia à polpação mecânica ou química. Enzimas ou fungos, que degradam lignina seletivamente, são aplicados sobre cavaco de madeira facilitando o processo de polpação subsequente. Esse pré-tratamento biológico tem sido bastante estudado nos últimos anos devido aos benefícios que ele pode proporcionar (PAVAN, 2008). Na biopolpação, após a aplicação de enzimas ou fungos sobre cavaco de madeira, este deverá ser incubado cerca de 15 a 30 dias. O resíduo biodegradado obtido é rico em celulose e possui um baixo teor de lignina, que permite uma maior facilidade de desfibramento na polpação mecânica ou no caso de polpação química, uma maior facilidade de penetração dos licores de polpação (JARDINE, 2012). Qualquer fração de deslignificação da madeira já proporciona à obtenção de polpas com melhores qualidades e facilidade de polpação mecânica (LIEW et al., 2011). Os fungos aplicados no pré-tratamento devem ser capazes de degradar a 12

13 lignina e não a celulose, para não afetar o rendimento do processo (LIEW et al., 2011). Dentre as várias espécies de fungos estudadas para o processo de biopolpação, uma tem se destacado, trata-se do basidiomiceto Ceriporiopsis subvermispora (AKHTAR et al., 1998; FERRAZ et al., 2008). Esse pré-tratamento fúngico tem sido avaliado não somente em escala de laboratório, mas também em 2 plantas piloto (uma em Madison, WI, USA e outra em Caieiras, SP, Brasil) Inoculação da madeira A inoculação da madeira corresponde ao início do processo de biopolpação. Como já citado, este trabalho abordou processos que envolvem inoculação por aspersão ou por semente. A inoculação por aspersão consiste em irrigar o cavaco de madeira com micélio fúngico suspenso em água, enquanto que a inoculação por semente é feita pela transferência do cavaco previamente colonizado para o cavaco virgem, mantendo-os em condições para que o fungo se desenvolva e colonize a madeira. Se a fase de crescimento do micélio não ocorrer com rapidez suficiente, outros organismos podem estabelecer-se no composto e interferir em seu crescimento. A quantidade de inoculante a utilizar é um dos fatores que definirá a velocidade de crescimento do micélio no composto (BRAGA, 1999) Planta piloto de biopolpação Pavan (2008) desenvolveu uma planta piloto para o processo de biopolpação de eucalipto com dois sistemas de inoculação, por aspersão e por semente. A planta foi instalada em Caieiras, SP, Brasil e tentou reproduzir o processo realizado na planta construída em Madison (WI, USA) em meados dos anos 90. A Figura 1 ilustra a instalação principal da planta piloto brasileira. A planta americana validou as práticas técnicas e econômicas da época em uma polpação termomecânica (TMP). 13

14 Figura 1 Layout de montagem do equipamento para construção da pilha de cavaco. Fluxo de madeira Fonte: PAVAN, 2008 Na planta piloto, o cavaco previamente picado presente no silo alimenta uma esteira que o conduz para a etapa de descontaminação, realizada em uma rosca transportadora. O cavaco é aquecido a 80ºC através do contato direto com vapor fluindo em contra corrente no interior da rosca. Para estar em temperatura adequada à inoculação, igual ou menor que 45ºC, o cavaco é resfriado em uma segunda rosca com ar. Em seguida, este passa por uma unidade onde recebe o inóculo por spray e cai na esteira que o leva para a formação da pilha, onde ocorrerá a incubação. A planta tratava 2,2 toneladas de cavacos por hora até a formação de uma pilha com 50 toneladas, esta era então mantida com ventilação forçada por 30 dias. A Figura 1 ilustra o biotratamento com inoculação por aspersão, porém devido à contaminação por outros fungos, que inibiam o crescimento do Ceriporiopsis subvermispora, o processo foi modificado para inoculação por semente. No prétratamento com inoculação por semente, o cavaco de madeira passava pelas mesmas etapas de descontaminação e ao final era misturado com cavaco biotratado previamente em laboratório. Apenas o processo de pré-tratamento com inoculação por semente atingiu resultados próximos aos estudos em laboratório com relação à economia de energia. Pavan (2008) consolidou as técnicas de biopolpação com madeira Eucalyptus grandis em processos de polpação termomecânicos (TMP) e quimiotermomecânicos (CTMP), obtendo valores respectivamente de 18 e 27% de economia em biotratamentos de TMP e CTMP, e utilizando a espécie Ceriporiopsis subvermispora como fungo de decomposição. Os resultados foram obtidos a partir do refino de uma pilha de 45 toneladas 14

15 de cavaco de madeira, inoculada com 8 toneladas de cavaco de madeira précultivados usados como semente de inoculação, a qual foi obtida através de contínuas ampliações de escala. Após 60 dias de biotratamento, com condições adequadas para o crescimento do fungo, a caracterização da polpa apresentou significativa redução no consumo de energia elétrica nos refinadores, conforme se observa na Figura 2 (FERRAZ et al. 2008; PAVAN, 2008). Para verificar a redução no consumo de energia proporcionada pelo biotratamento do cavaco de madeira, cavacos com e sem o biotratamento foram processados em refinadores industriais com capacidade de refinação aproximada de 6,6 ton/h. A Figura 2, que possui o consumo de energia durante a refinação, mostra a redução energética durante a polpação termomecânica e quimiotermomecânica com cavacos biotratados, BTMP e BCTMP, comparada com a polpação dos cavacos sem o pré-tratamento, TMP e CTMP. Figura 2 - Consumo de energia nos discos de refinação (MWH) durante processos de TMP e CTMP, utilizando cavaco controle e cavaco biopolpado de madeira E. grandis. Fonte: PAVAN, 2008 Em um experimento seguinte, utilizando o mesmo modo de ampliação de escala, o cavaco semente foi misturado ao cavaco fresco recém picado, que não havia passado pela etapa de descontaminação (roscas de aquecimento e resfriamento). A Figura 3 demonstra a redução no consumo de energia obtida por tonelada de cavaco seco ao ar (tsa) refinada. Apesar de significativa, a redução foi inferior àquela observada utilizando-se cavacos descontaminados. 15

16 Figura 3 - Consumo de energia na refinação do cavaco controle e do cavaco biotratado para os processos de TMP e BioTMP; CTMP e BioCTMP. Fonte: PAVAN, Descontaminação do cavaco Os ensaios em escala piloto desenvolvidos em Caieiras mostraram que é difícil estabelecer cultivos dos basidiomicetos de interesse livre de bolores contaminantes. Isso porque não é simples controlar a assepsia durante a inoculação e o biotratamento de cavacos em larga escala e em pilhas abertas (CUNHA, 2012; FERRAZ et al., 2008; MASARIN; FERRAZ, 2008). Para tentar eliminar esse problema da biopolpação, Cunha (2012) avaliou os cultivos mistos de Ceriporiopsis subvermispora e Phanerochaete chrysosporium sobre madeira de Eucalyptus grandis e Eucalyptus urograndis em regimes de incubação em temperaturas variáveis e em condições não assépticas. A estratégia adotada por Cunha (2012) foi de iniciar os cultivos em temperatura mais elevada (37 C) e depois manter as culturas em temperaturas variáveis de 27 C e 37 C. A ação se mostrou eficiente para inibir o crescimento de contaminantes indesejáveis tanto nos cultivos mistos como nos individuais de cada espécie avaliada. 16

17 2.4 Simulador Aspen Plus O simulador Aspen Plus é um programa de computador comercializado pela empresa Aspen Tech que auxilia na simulação e modelagem de processos químicos. Tais simulaçãos são realizadas através da especificação dos fluxos de matéria, trabalho e calor, e das operações unitárias envolvidas no processo (MAGNUSSON, 2005). O programa disponibiliza blocos que simulam várias operações unitárias empregadas em uma planta, entre eles consta: reatores, trocadores de calor, separadores, bombas etc. Juntamente com a sua grande base de dados de propriedades físicas de componentes puros, o processo é criado e os algoritmos de convergência resolvem equações de balanço de massa e energia do processo simulado (MAGNUSSON, 2005). O Aspen Plus é largamente utilizado por indústrias de diversos segmentos, porém o seu uso é restrito na indústria de celulose devido aos equipamentos diferenciados que esta indústria emprega. Muitos trabalhos de simulação de processos com o Aspen Plus, utilizando como matéria-prima biomassa, foram desenvolvidos pelo Laboratorio Nacional de Energias Renovaveis do Estados Unidos (National Renewable Energy Laboratory NREL), sendo referência para trabalhos do gênero. 17

18 3. METODOLOGIA O presente trabalho foi desenvolvido para avaliar a viabilidade econômica de operação de uma planta de biopolpação de cavacos de Eucalyptus grandis por Ceriporiopsis subvermispora, através da inoculação por aspersão ou semente. Foi adotado como base referencial o trabalho apresentado por Pavan (2008) Parâmetros para simulação no Aspen Plus Um esquema simplificado do processo de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira para a produção industrial de polpa celulósica a ser reproduzido no programa de simulação Aspen Plus versão 8.0 pode ser visto na Figura 4. Figura 4 - Fluxograma simplificado do processo de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira Resfriamento Cavaco Descontaminação Inoculação Água Fungo Pilha de incubação dos cavacos Cavaco biotratado Ventilação forçada Fonte: Elaborada pela autora O simulador disponibilizou o balanço de massa e energia do processo simulado, auxiliando o cálculo do custo total da etapa de biotratamento. Adicionalmente, ele possui uma ferramenta, Activated Economics Analysis, cujo banco de dados contém características dos principais equipamentos industriais comercializados que permite identificar os equipamentos mais adequados ao propósito ou mais similares aos empregados na planta piloto. A ferramenta possibilita utilizar pelo Aspen Plus as aplicações do Aspen ICARUS, produto da 18

19 Aspen Technology destinado à realização de estimativas de custo de capital e operação na implantação de processos através do mapeamento e dimensionamento dos equipamentos nele utilizados. Para o desenvolvimento do modelo de processo no programa Aspen Plus, algums parâmetros foram definidos: Pacote termodinâmico: NRTL - Non-Random-Two Liquid Trabalhos desenvolvidos pelo Laboratorio Nacional de Energias Renovaveis do Estados Unidos (National Renewable Energy Laboratory NREL) indicam que o pacote termodinâmico NRTL é o mais apropriado quando se utiliza biomassa. Lista de componentes: Cavaco: 100% Celulose (C 6 H 10 O 5 ) n Inóculo: 94% água (H 2 O); 5% glicose (C 6 H 12 O 6 ); 1% uréia (CH 4 N 2 O) Ar: 79% nitrogênio e 21% oxigênio (O 2 ) Água (H 2 O) Outros componentes do cavaco de madeira como hemicelulose e lignina não estão disponiveis na base de dados do simulador. Logo, a composição do cavaco foi assumida como sendo formada apenas por celulose. Para uma maior precisão das propriedades termo-fisicas do cavaco, lignina e hemicelulose podem ser criadas no simulador através da base de dados desenvolvida pelo Laboratorio Nacional de Energias Renovaveis do Estados Unidos. As diretrizes para a construção desta base estão disponiveis no documento Development of an ASPEN PLUS Physical Property Database for Biofuels Components. O inóculo representa a mistura de fungo Ceriporiopsis suvermispora e milhocina em água. A composição da milhocina inclui vários carboidratos, aminoácidos, peptídeos, compostos orgânicos, metais e íons inorgânicos (PAVAN, 2008). Para simplificação, a milhocina é representada no simulador como tendo composição exclusivamente de glicose e uréia, na proporção mássica de 9:1. 19

20 Classe de corrente: A classe de corrente selecionada no simulador foi MIXCISLD, que permite duas possíveis subcorrentes: a subcorrente CISOLID (Conventional Inert Solid) e a subcorrente MIXED. Juntas elas permitem a utilização de componentes convencionais em todas as fases (sólida, líquida ou gasosa). Seleção dos equipamentos necessários e sua configuração quando necessária;. Determinação das correntes de entrada e/ou saída, que inclui: Taxa de alimentação das correntes de entrada (cavaco, água de cozimento, água de resfriamento, inóculo e ar pré-condicionado) Temperatura e pressão das correntes; Umidade do cavaco nas correntes de saída Avaliação econômica Pavan (2008) indicou que a premissa inicial para uma análise econômica deveria considerar que a economia obtida com a redução do gasto em energia elétrica deveria ser, no mínimo, suficiente para custear os gastos da etapa de biotratamento que incluem: a) produção do inóculo; b) aditivos de crescimento rápido (e.g. milhocina); c) mão-de-obra para construção e manutenção da pilha; d) utilidades (água, vapor, energia elétrica) necessárias na construção e manutenção da pilha; e) perda de biomassa (madeira 5%); f) custo de capital. As simulações forneceram os gastos com vapor, água e ar para ventilação utilizados no processo. Outros custos necessários foram obtidos da literatura e através de agências reguladoras, para o custo de compra da água e eletricidade. 20

21 4. RESULTADOS O processo elaborado através do programa de simulação Aspen Plus, apresentado na Figura 5, busca simular o processo da etapa de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira para a produção industrial de polpa celulósica desenvolvido por Pavan (2008), incluindo algumas alterações baseadas na pesquisa de Cunha (2012) que buscam inibir o crescimento de contaminantes durante o período de incubação. Para um maior detalhamento e compreensão do processo, ele foi dividido em 3 principais unidades: descontaminação, inoculação e incubação. Foram simuladas diversas taxas de produtividade de cavaco pré-tratado utilizando esse modelo e, como esperado, verificou-se que a demanda de materiais e energia são diretamente proporcionais à produtividade. Em função disso, optou-se por apresentar os dados de simulação apenas com os valores obtidos para uma produção de 2,2 ton/h, em base úmida, pois foi a escala realizada na planta piloto desenvolvida por Pavan (2008). De qualquer forma, esta escala permite a compreensão da origem dos custos do biotratamento, gerando dados extrapoláveis para custo final do processo em R$/ton. A seguir, será apresentado o detalhamento operacional de cada unidade do processo, juntamente com a descrição dos equipamentos sugeridos para a implantação real da planta. Todos os materiais foram considerados disponíveis em temperatura ambiente, 25ºC e sob pressão atmosférica, 1 atm. 21

22 Figura 5 - Processo de pré-tratamento fúngico de cavacos de madeira para a produção industrial de polpa celulósica desenvolvido no Aspen Plus Descontaminação Inoculação Incubação Fonte: Elaborada pela autora 22

23 4.1 Etapa de descontaminação A etapa de descontaminação consiste no aquecimento do cavaco seguido pelo seu resfriamento com água. Para uma produção de 2,2 ton/h de cavaco biotratado, contendo umidade de 75%, é necessária uma corrente inicial de 1,3 ton/h de cavaco seco (CAVACO), cuja umidade é de aproximadamente 11%, e 14473,12 L/h de água (AGUA1). Os valores foram calculados a partir da proporção entre cavaco e água utilizada em laboratório para a descontaminação, que é de 2kg de cavaco e água suficiente para completar um biorreator com capacidade de 18L. O tratamento do cavaco com água ocorre à temperatura de 80ºC durante 30 minutos em um tanque agitado (MIXER1). O simulador informou a necessidade de 1491,29 kg de vapor/h para manter a temperatura de cozimento. A mistura de cavaco com água (M1) segue para a separação em uma centrífuga de decantação (ROSCA1) que simula uma rosca desaguadora e estaria preferencialmente posicionada na saída de fundo do tanque. O cavaco úmido (CAVACO1) segue então para um segundo tanque (MIXER2) para ser resfriado com água (AGUA2) em quantidade suficiente para reduzir a temperatura a 45ºC, 1850L/h, valor calculado pelo simulador. A nova mistura de cavaco com água (M2) segue para separação em uma segunda centrífuga de decantação (ROSCA2) onde o cavaco descontaminado (CAVACO2) sai com umidade aproximada de 60%. A Figura 6 indica os equipamentos pertencentes ao cozimento e resfriamento separadamente. Figura 6 Etapa de descontaminação Cozimento Resfriamento Fonte: Elaborada pela autora 23

24 A água descartada do processo (AGUA-R1 e AGUA-R2) poderá ser utilizada em outras necessidades industriais. Este trabalho avaliou economicamente o emprego do biotratamento nos casos em que há ou não a reutilização da água, itens e Equipamentos sugeridos: Tanque agitado (MIXER1) O tanque, ilustrado na Figura 7, precisará ser encamisado para aquecer e manter a mistura de cavaco e água a temperatura de tratamento, 80ºC, e ser agitado para promover a dispersão do calor. Figura 7 Estrutura de um tanque agitado Fonte: ASPEN, 2012 Centrífuga de decantação (ROSCA1 e ROSCA2) A centrifuga de decantação, ilustrada na Figura 8, terá a finalidade de simular uma rosca desaguadora, amplamente utilizada na indústria de produção de celulose e inexistente no banco de dados de equipamentos do Aspen Plus. Ela é constituída por um rotor, formado por um cilindro com duas regiões (cilíndrica e cônica), e por uma rosca central que rotaciona no interior do cilindro. O cilindro e e a rosca giram com alta velocidade de rotação, porém com velocidades diferentes que propicia a separação. A mistura sólido/líquido entra no equipamento através de uma alimentação 24

25 central no interior do eixo da rosca e flui para a área de separação, dentro da parte cilíndrica, através de orifícios no corpo da rosca. Devido a rotação, o líquido flui em espiral para a região de transbordamento através dos canais formados pelas lâminas da rosca e em contra fluxo, o sólido é transportado no sentido da região da região cônica para a sua descarga. Figura 8 Centrifuga de decantação Fonte: ASPEN, Etapa de inoculação A unidade de inoculação, destacada na Figura 9, poderá ser por aspersão ou semente. Ela consiste da mistura do cavaco descontaminado com inóculo por aspersão ou com uma fração de cavacos previamente tratados com o fungo. A inoculação por aspersão consistirá na mistura do cavaco descontaminado (CAVACO2) com o inóculo preparado (INOCULO). O inóculo possui uma vazão de 360L/h contendo 11 g/h do fungo Ceriporiopsis subvermispora, 22 kg/h de milhocina e composição restante de água. Sugere-se a utilização de uma rosca transportadora simples atuando como misturador (MIXER3) assim como foi empregado na planta piloto. Para o caso de inoculação por semente, a alimentação (INOCULO) será o cavaco previamente tratado em laboratório ou originado por este modelo de processo mas com inoculação por aspersão. Para este tipo de inoculação poderá ser empregado um misturador do tipo cone duplo rotativo, MIXER3. 25

26 Figura 9 Etapa de inoculação Fonte: Elaborada pela autora Equipamento recomendado Misturador - Cone duplo rotativo (MIXER2) A Figura 10 demontra um misturador do tipo cone duplo rotativo, muito utilizado na mistura de sólidos. Figura 10 Estrutura de um misturador cone duplo rotativo Fonte: ASPEN, Etapa de incubação A incubação ocorre na pilha de cavaco formada, Figura 11. No simulador ela é representada por um secador de sólidos para que se possa estimar o fluxo de ar necessário para manter a sua temperatura entre 37ºC e 27ºC por 30 dias. A saída CAVACO-P representa o cavaco biotratado, pronto para ir ao refino. O cavaco inoculado (M3) é mantido na pilha com ventilação forçada de 1850 m³/h de ar pré-condicionado, valor calculado pelo simulador. 26

27 Figura 11 Etapa de inoculação Fonte: Elaborada pela autora Equipamentos adicionais Durante todo o processo há a necessidade de transportar os cavacos de madeira de um equipamento ou local para outro. Essa transferência poderá ser feita através de roscas ou esteiras transportadoras. Rosca transportadora Esse tipo de rosca transporta sólidos na horizontal ou em um plano inclinado. O equipamento inclui um motor e uma rosca helicoidal presente na calha em forma de U. A capacidade de transporte do parafuso diminui à medida que o ângulo de inclinação aumenta. Com a rotação do parafuso, o material é movido para a frente. Roscas transportadoras são baratas e de fácil manutenção. Sua estrutura está ilustrada na Figura 12. Figura 12 Rosca transportadora Fonte: ASPEN,

28 Esteira transpostadora Esteiras transportadoras abertas são muito utilizadas no transporte de materiais sólidos em longas distâncias. Uma vez que o material da esteira é borracha, esta não é utilizada no transporte de materiais a temperaturas superiores a 65 C. A estrutura básica de uma esteira transpostadora está presente na Figura 13. Esteiras são utilizadas para transportar sólidos horizontalmente ou em plano inclinado. A cinta pode ser plana, mas tipicamente possui um vale, a fim de aumentar a capacidade de transporte. Figura 13 Esteira transportadora Fonte: ASPEN, Avaliação econômica Estão presentes nas Tabelas 1 e 2 os preços dos materias utilizados no processo de pré-tratamento. Tabela 1 - Preços de algumas utilidades e materiais usados no biotratamento. Material $/(ton de cavaco processada) $/(ton de material) Cavaco* 80,00 Milhocina + Fungo * 2,00 Vapor ** 4,16 Pré condicionamento do ar*** 0,72 Fonte: (*) (SCOTT et al., 2002) (**) Dados obtidos no banco de dados do Aspen Plus V8.0 (***) (SCOTT et al., 1998) 28

29 O tipo de vapor selecionado para a simulação foi o LP Steam, vapor com baixa pressão, que aquece o agitador encamisado na etapa de descontaminação com uma temperatura de entrada e saída de 125ºC e 124ºC, respectivamente. Tabela 2 Tarifas médias de água e eletricidade praticadas em São Paulo no ano de Fonte: (*) ARSESP, 2014 (**) ANEEL, 2014 Preço médio para uso industrial Preço médio na venda por atacado Água (R$/m³)* 10,36 1,48 Eletricidade (R$/MWh)** 249,00 164,00 Para o uso industrial de água e eletricidade, há duas opções de tarifas utilizadas por fornecedores. A tarifa depende basicamente do tipo de venda estabelecida, podendo ser por atacado, onde a indústria compra uma grande quantidade por um preço fixo, ou por consumo, quando a indústria paga pela quantidade consumida com preço tabelado do tipo uso industrial. A seguir, o trabalho apresenta o custo final do biotratamento, com base nas tarifas mencionados para o caso onde há ou não o reciclo da água utilizada no bioprocesso. O custo final não inclui os custos envolvidos com o tratamento da água para um apropriado descarte ou reutilização Biotratamento sem o reciclo de água Desconsiderando a reutilização da água utilizada no processo, as Tabelas 3, 4 e 5 disponibilizam os custos parciais e totais relacionados ao processamento de 2,2 ton/h de cavaco de madeira. O item cavaco presente nas tabelas refere-se ao custo da perda de biomassa (5%). 29

30 Tabela 3 Custo do biotratamento excluindo os gastos com água e eletricidade Produtividade 2,2 ton/h kg/h $/h $/ton Cavaco 65,01 5,20 2,36 Milhocina 22 Fungo 0,011 4,40 2,00 Vapor 1491,29 6,20 2,82 Ar 2366,72 1,58 0,72 Total ($) 17,39 7,90 Total (R$) 43,47 19,76 Tabela 4 Custo com água e eletricidade utilizados no biotratamento que não inclui o reciclo de água Produtividade 2,2 ton/h Custo médio em compra com preço industrial (R$/h) Custo médio em compra por atacado (R$/h) Água (m³/h) 16,66 172,61 24,61 Eletricidade (kwh) 112,2 27,94 18,40 1 ton (R$/ton) (R$/ton) Água (m³/ton) 7,57 78,46 11,19 Eletricidade (kwh/ton) 51 12,70 8,36 Foi adotado o gasto energético de 51 kwh/ton de cavaco processado, como estimativa para a eletricidade gasta com o uso dos equipamentos presentes no processo. Tal valor foi empregado por Scott (1998) na avaliação econômica de sua planta piloto de estudo. Tabela 5 Custo final em R$/h do biotratamento de cavaco de madeira a uma produção de 2,2 ton/h (sem reciclo de água). Eletricidade (Preço industrial) Eletricidade (Preço por atacado) Água (Preço industrial) 244,02 234,49 Água (Preço por atacado) 96,02 86,48 Devido a diferença de tarifas cobradas pela água e eletricidade, 4 cenários foram avaliados para mostrar como a diferença dessas tarifas afetam o custo final do bioprocesso. 30

31 Descrição dos cenários: Cenário I Água e eletricidade a preço de uso industrial; Cenário II Água a preço de uso industrial e eletricidade a preço de compra por atacado; Cenário III Água a preço de compra por atacado e eletricidade a preço de uso industrial; Cenário IV Água e eletricidade a preço de compra por atacado. Adotando, como exemplo, as tarifas médias de água e eletricidade praticadas em São Paulo, presentes na Tabela 2, o custo final do pré tratamento fúngico nos 4 cenários está apresentado na Tabela 6. Tabela 6 - Custo final do pré tratamento fúngico nos diferentes cenários (sem o recilo de água). Cenário I II III IV Cavaco 5,91 5,91 5,91 5,91 Fungo + Milhocina 5,00 5,00 5,00 5,00 Vapor 7,05 7,05 7,05 7,05 Ar 1,80 1,80 1,80 1,80 Água 78,46 78,46 11,19 11,19 Eletricidade 12,70 8,36 12,70 8,36 Custo do pré tratamento fúngico (R$/ton) 110,92 106,58 43,64 39,31 ($/ton) 44,37 42,63 17,46 15,72 Verifica-se pela Tabela 6 a grande variação do custo final do biotratamento, estando entre R$39,31/ton e R$110,92 R$/ton. Utilizando-se água a preço de atacado, Cenário III e IV, o custo final do pré-tratamento fúngico aproximou-se do valor estimado por Scott (2002) de U$ 14,76/ton. A Figura 14 auxilia na visualização da participação de cada material ou utilidade na composição do preço final do biotratamento. 31

32 Figura 14 Composição do custo da biopolpação nos diferentes cenários, sem o reciclo de água.,,,,,,, Fonte: Elaborada pela autora Na Figura 14 é possível perceber como o custo com água e secundariamente com eletricidade encarece o custo final do biotratamento. A quantidade de água utilizada é empregada 87% na etapa de cozimento, 11% no resfriamento e 2% no preparo do inóculo. Caso ela seja reciclada, o custo final do processo de prétratamento será notoriamente reduzido, como mostra o item Sabendo que o consumo específico médio de energia elétrica de uma planta industrial de polpação TMP com opção de funcionamento no regime CTMP é de 816 kwh/ton (Pavan, 2008), a Tabela 7 demonstra como poderá variar a economia em energia de acordo com o preço da energia elétrica e o percentual de redução que o biotratamento proporcionou. Tabela 7 Redução no custo de produção de polpas dependo da economia de energia gerada pela biotramento Energia elétrica ao custo de R$ 164/MWh Energia elétrica ao custo de R$ 249/MWh Consumo de energia elétrica kwh/ton Economia de energia elétrica 10-30% kwh/ton 81,6-244,8 81,6-244,8 Economia estimada (R$/ton) 13,38-40,15 20,32-60,96 32

33 Para a implantação do pré-tratamento fúngico ser considerada lucrativa, este deverá apresentar um benefício econômico, que pode ser simplesmente expresso pela equação abaixo: Beneficio econômico = Economia estimada Custo da biopolpação Considerando o custo de energia elétrica de R$164/MWh e R$249/MWh, variou-se o percentual de economia de energia gerado pelo biotratamento, entre 10% e 30%, para identificar em que condições ele traria benefício econômico. Curvas apresentadas na Figura 15. Figura 15 - Benefício econômico devido ao emprego da biopolpação 1. Custo de energia elétrica a R$ 164,00/MWh; 2. Custo de energia elétrica a R$249/MWh (sem o reciclo de água) Fonte: Elaborada pela autora Através dos gráficos, pode-se afirmar que não haverá benefício econômico se a planta de biotratamento utilizar água a preço industrial e não reutilizá-la. Beneficio econômico ocorrerá apenas quando houver economia de energia gerada pelo biotratamento acima de 28% e 22%, para o custo de energia elétrica de R$164/MWh e R$249/MWh respectivamente. 33

34 Biotratamento com reciclo de água Para o caso em que a água é reutilizada no próprio processo ou em outra necessidade industrial e desconsiderando eventuais perdas, apenas 5% da quantidade inicial necessária para o biotratamento não será recuperável (0,37 ton/h), pois ela compõe a umidade final da cavaco biotratado. A Tabela 8 e Figura 16 mostram o custo final do biotratamento e sua composição, respectivamente. Apenas o custo com água foi alterado para o cálculo do custo final comparando com o biotratamento anterior. Tabela 8 - Custo final do pré tratamento fúngico nos diferentes cenários (com o recilo de água). Cenário I II III IV Cavaco 5,91 5,91 5,91 5,91 Fungo + Milhocina 5,00 5,00 5,00 5,00 Vapor 7,05 7,05 7,05 7,05 Ar 1,80 1,80 1,80 1,80 Água 3,80 3,80 0,54 0,54 Eletricidade 12,70 8,36 12,70 8,36 Custo do pré tratamento fúngico (R$/ton) 36,26 31,92 33,00 28,67 ($/ton) 14,50 12,77 13,20 11,47 Figura 16 Composição do custo da biopolpação nos diferentes cenários, com o reciclo da água. Fonte: Elaborada pela autora 34

35 Utilizando a mesma forma de cálculo de benefício econômico empregada no biotratemento anterior, através da Tabela 7, porém com o novo custo para a biopolpação, novos percentuais mínimos de economia de energia para a obtenção de benefício econômico foram identificados e podem ser verificados nas curvas apresentadas na Figura 17. Figura 17 - Benefício econômico devido ao emprego da biopolpação 1. Custo de energia elétrica a R$ 164,00/MWh; 2. Custo de energia elétrica a R$249/MWh (com o recilclo da água) Fonte: Elaborada pela autora Através dos gráficos, nota-se que haverá benefício econômico em qualquer um dos cenários apresentados. A implantação da etapa de tratamento fúngico resultará em benefício econômico quando este biotratamento gerar uma economia de energia de no mínimo 24% e 18%, para o custo de energia elétrica de R$164/MWh e R$249/MWh respectivamente. 35

36 5 CONCLUSÃO O trabalho permitiu a criação de um modelo de planta para o processo de biotratamento no programa Aspen Plus como previsto, o qual permitiu pelo balanço de massa e energia estimar o custo final do processo. Foi observada a grande influência do preço da água no bioprocesso devido a grande demanda necessária, já que esta é utilizada nas etapas de descontaminação, resfriamento e preparo do inóculo. Logo, a sua possibilidade de reutilização é determinante para o processo ser ou não considerado viável economicamente. Utilizando o modelo de processo apresentado neste trabalho, conclui-se que a implantação do bioprocesso, que adere outros benefícios além da redução energética, apresentará benefício econômico se o cavaco biotratado possibilitar a redução energética de no minimo: 28%, quando não há reciclo de água e a tarifa de sua compra for de no máximo R$1,48/m³; ou entre 18% e 24%, para o custo de energia elétrica entre R$249/MWh e R$164/MWh respectivamente e havendo o reciclo máximo de água. No melhor cenário, o bioprocesso que contém o reúso da água e utiliza energia elétrica ao custo de R$249/MWh, o custo do biotratamento é de R$33,00/ton ou $13,20/ton. 36

37 REFERÊNCIAS AGÊNCIA REGULADORA DE SANEAMENTO E ENERGIA DO ESTADO DE SÃO PAULO (ARSESP). Tarifas de saneamento. Disponível em: < Acesso em: 24 Nov AKHTAR, M.; HOUTMAM, C.J.; SCOTT, G.M.; SWANEY, R.E. Recent developments technology at Madison, WI. Biotechnology in the Pulp and Paper Industry AKHTAR, M.; BLANCHETTE, R.A.; MYERS, G.; KIRK, T.K. An overview of biomechanical pulping research. In YOUNG, R.A.; AKHTAR, M. Environmentally Friendly Technologies for the Pulp and Paper Industry. 1a. Edição. Nova York: John Wiley & Sons, 1998, p ISBN AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL). Disponível em: < Acesso em: 24 Nov ASPEN TECHNOLOGY. Aspen Icarus Reference Guide. Burlington, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CELULOSE E PAPEL (BRACELPA). Estatísticas BRACELPA: Dados do setor Março São Paulo, Disponível em: < Acesso em: 10 Mai BERNI, M.D.; BAJAY, S.V.; GORLA, F.D. Oportunidades de eficiência energética para a indústria Relatório setorial: Setor papel e celulose, Brasília, DF: Confederação Nacional da Indústria CNI e PROCEL Indústria / Eletrobras, p. BIERMANN, C. J. Essentials of Pulping and Papermaking. San Diego: Academic Press, p

38 BLECHSHMIDT, J.; HEINEMANN, S. Handbook of Pulp. Weinhem : WILEY-VCH, (Handbook of Pulp, 2) BRAGA, G. C. Produtividade de Agaricus blazei Murril em Função do Ambiente de Cultivo, Massa do Substrato e Camada de Cobertura. Botucatu, CUNHA, G. G. S. Biopolpação a partir de cultivos mistos de basidiomicetos sobre madeira de Eucalyptus grandis e Eucalyptus urograndis (híbrido E. grandis x E. urophilla) p. Tese (Doutorado em Ciências) - Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, EK, M.; GELLERSTEDT, G.; HENRIKSSON, G. Pulp and Paper Chemistry and Technology: Fibre and Polymer Technology. Sweden: School of Chemical Science and Engineering, p. v.2. FERRAZ, A.; GUERRA, A.; MENDONÇA, R.; MASARIN, R.; VICENTIM, M.P.; AGUIAR, A.; PAVAN, P.C. Technological advances and mechanistic basis for fungal biopulping. Enzyme and Microbial Technology, Vol. 43, pp , JARDINE, J. G. Biotecnolgia Biopolpação Disponível em: < GIA/BIOTECNOLOGIA_QUIMICA_2012.pdf> Acesso em: 10 Mai LIEW, C. Y.; HUSAINI, A.; HUSSAIN, H.; MUID, S.; LIEW, K. C.; ROSLAN, H. A. Lignin biodegradation and ligninolytic enzyme studies during biopulping of Acacia mangium wood chips by tropical white rot fungi. World J Microbiol Biotechnol Vol. 27, pp , MAGNUSSON, H. Process simulation in Aspen Plus of an integrated ethanol and CHP plant, p. Dissertação (Mestre em Engenharia de energia) - Department of Applied Physics and Electronics, Umea University, Sweden,

39 MASARIN, F; FERRAZ, A. Evaluation of Eucalyptus grandis Hill ex Maiden biopulping with Ceriporiopsis subvermispora under non-aseptic conditions. Holzforschung, v.62, p.1-7, NAVARRO, R. M. S. Estudo dos diferentes tipos de processos de branqueamento de celulose objetivando a comparação entre seus metodos e a geração do potencial de poluentes em seus respectivos efluentes p. Dissertação (Mestre em Engenharia Química) Universidade estadual de Campinas, Campinas, PAVAN, P. C. Desenvolvimento do processo de biopolpação de eucalipto em escala piloto para produção de polpas termomecânicas e quimiotermomecânicas p. Tese (Doutorado em Biotecnologia Industrial) - Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, SANTOS, M. M. (Coord). Eficiência energética: recomendações de ações de CT&I em segmentos da indústria selecionados celulose e papel: série documentos técnicos, Brasília, DF: Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, p. SCOTT, G. M.; AKHTAR, M.; SWANEY, R. E; HOUTMAN, C. J.. Recent Developments in Biopulping Technology at Madison, WI. In: VIIKARI, L.; LANTTO, R.. Biotechnology in the Pulp and Paper Industry. Amsterda: Elsevier Science B. V., p. 66. SCOTT, G. M.; AKHTAR, M.; LENTZ, W. J.; SWANEY, R. E. Engineering, scale-up, and economic aspects of fungal pretreatment of wood chips. In: YOUNG, R. A.; AKHTAR, M.. Environmental friendly technologies for pulp and paper industry. New York: Wiley, p