MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPA CAMPUS BAGÉ (Lei nº. 1.640, de 1 de janeiro de 2008)
Relatório de Projeto Bicombustível.
Obtenção de Bioetanol Através de Milho, Sorgo e Batata-Doce em Escala Laboratorial e com Aplicação em Motor Stirling.
Tecnologia de Bicombustíveis Profa. Márcia Lucchese
Bagé, 03 de Setembro de 2009
Matérias-Primas 3
Processo de produção do álcool 4
Preparo do substrato 4
Fermentação 5
Destilação 5
Método: 6
Relatos e Discussões 8
Este relatório corresponde ao projeto da cadeira de Tecnologia de Biocombustíveis do curso de Engenharia de Energias Renováveis e Ambientes.
A conversão da energia solar em energia química, que se realiza nos vegetais durante a fotossíntese, é um dos fenômenos mais fascinantes da natureza. Na planta iluminada pelo sol, a fugaz radiação solar se transforma em produtos estáveis, absolutamente essenciais para a vida em nosso planeta. A energia fotossintética traz uma nova dinâmica ao mundo agroindustrial e oferece uma alternativa à necessária evolução da sociedade industrial moderna para um contexto energético mais sustentável e racional. Sem pretender ser a solução exclusiva, a captação e o armazenamento de energia solar nos vegetais podem cumprir um papel destacado no futuro energético das nações.
A produção de biocombustíveis líquidos tem sido considerada para atender particularmente às necessidades de transporte veicular. Para esses fins, além dos biocombustíveis, ainda não existem, na atualidade, alternativas renováveis com maturidade tecnológica e viabilidade econômica suficientes. Os biocombustíveis líquidos podem ser utilizados de forma bastante eficiente em motores de combustão interna que equipam os mais diversos veículos automotores e que se classificam basicamente em dois tipos, dependendo da maneira pela qual se inicia a combustão: motores do ciclo Otto, com ignição por centelha, para os quais o biocombustível mais recomendado é o bioetanol.
Neste trabalho, vamos fazer o ciclo completo desde a fermentação até a combustão do bioetanol, para tanto vamos dividir o projeto e três grandes partes, a primeira e a fermentação, vamos comprar três tipos diferentes de vegetais, milho, batata doce e sorgo, estes serão acondicionados em diferentes recipientes com fermento biológico que ainda será escolhido, na segunda parte utilizaremos a estrutura de laboratórios da UNIPAMPA para a destilação, e a terceira parte consiste na combustão do bioetanol para movimentar um motor stirling.
A produção de biomassa, como resultado da reação de fotossíntese, depende essencialmente da energia solar e da presença de água e dióxido de carbono (CO2), desenvolvendo-se nas células vegetais dos estômatos das folhas segundo complexos ciclos que podem ser representados pela expressão a seguir, em que água e gás carbônico se combinam para a formação de uma molécula de glicose, que é um açúcar simples, e oxigênio.
Nessa reação, em termos energéticos, a formação de 1 kg de açúcar corresponde à fixação de cerca de 17,6 MJ (megajoules) de energia solar, equivalente a cerca de meio litro de gasolina. Pelo balanço de massa dessa reação, tem-se que a síntese de 1 kg de glicose consome cerca de 0,6 kg de água e 1,4 kg de dióxido de carbono, liberando para a atmosfera 1 kg de oxigênio. Naturalmente, essa água representa apenas a parcela utilizada na composição do açúcar, pois durante seu crescimento e, especialmente, durante a fotossíntese, quando ocorre a evapotranspiração, o vegetal necessita de água em volumes centenas de vezes acima da
Página 4 de 9 quantidade fixada no produto vegetal. Assim, a condição fundamental para a produção de biomassa e, conseqüentemente, de bioenergia é a disponibilidade de radiação solar, de água e de dióxido de carbono.
Qualquer produto que contenha uma quantidade considerável de carboidratos (açúcares) constitui-se em matéria-prima para obtenção de álcool pela via fermentativa. Entretanto, para que seja viável economicamente, é preciso que se considere o seu volume de produção, rendimento industrial e o custo de fabricação. De acordo com o tipo de carboidratos presentes nas matérias- primas elas podem ser classificadas em três tipos descritos a seguir: • Materiais açucarados: contêm açúcares simples, ou seja, carboidratos com seis (monossacarídeos) ou doze átomos de carbono (dissacarídeos), como glicose, frutose, e maltose. Ex.: cana-de-açúcar, beterraba açucareira, melaços, mel de abelhas e frutas; • Materiais amiláceos: contêm carboidratos mais complexos como amido e inulina que podem ser quebrados em glicose pela hidrólise ácida ou ação de enzimas num processo denominado malteação ou sacarificação. Ex.: grãos amiláceos (milho, sorgo, cevada, trigo) raízes e tubérculos (batata, batata- doce, mandioca); • Materiais celulósicos: São constituídos de celulose, e apesar de estarem disponíveis em grande quantidade, não oferecem por enquanto, condições econômicas na produção de etanol, pois para tornarem-se fermentescíveis devem passar por um processo complexo de hidrólise ácida. Ex.: palha, madeira, resíduos agrícolas e de fábricas de papel.
Embora no Brasil o uso de cana açúcar para produção de álcool seja muito bem sucedido, outras matérias primas podem ser consideradas futuramente, seja para possibilitar a produção em regiões sem vocação agrícola para aquela cultura, seja para inclusão de pequenos produtores usando materiais amiláceos como batata, mandioca e batata-doce, principalmente pelo aproveitamento das perdas resultantes da produção agrícola, tanto na colheita como na classificação final.
Levando em consideração o potencial agrícola do Rio Grande do Sul, e sua produção anual de milho, sorgo e batata-doce e claro seu potencial energético, estas foram as nossa escolhas como matérias-primas para o bioetanol.
Os materiais amiláceos podem ser divididos em amiláceos (grãos) e feculentos (raízes e tubérculos). A vantagem do uso dos últimos é que podem ser utilizados materiais refugo, fora de tamanho, machucados e até mesmo, com brotação desenvolvida. De fato, a existência de brotos reduziram a quantidade de malte (ou enzimas) necessária para a malteação. As batatas contém entre 15 e 18% de material fermentescível, as batatas doces contém cerca de 2% de amido e 5- 6% de açúcares redutores, e a mandioca contém 30- 35% e todos estes materiais feculentos são uma fonte tradicional de álcool. Em média, uma tonelada de batatas leva a uma produção de 85 a 95 litros de álcool.
Todos os materiais amiláceos requerem um processo de cozimento para diluição e gelatinização do amido e, em seguida, de sacarificação ou hidrólise no qual o amido é transformado em açúcares fermentescíveis. Esta hidrólise pode ser por maltagem, por adição de enzimas ou pela ação de ácidos.
A via fermentativa é o método utilizado na obtenção de etanol no Brasil e na maior parte dos países do mundo. Este processo é constituído de três partes: preparo do substrato, fermentação e destilação do fermentado. As leveduras são fungos normalmente unicelulares, apresentando células de forma arredondada. Apesar de não ser o único microrganismo capaz de produzir álcool, as propriedades específicas das leveduras, como tolerância a altas concentrações de álcool e gás carbônico, o crescimento rápido e a capacidade de fermentação as tornam os microrganismos mais adequados para a operação em escala industrial. As leveduras mais importantes para a produção de álcool são as Saccharomyces cerevisiae e Saccharomyces carlsbergensis. Sua biomassa pode ser recuperada como subproduto da fermentação e transformada em levedura seca, que se constitui em matéria-prima para fabricação de ração animal ou suplemento vitamínico humano. Existem várias linhagens (raças) desse microrganismo, que foram selecionadas ao longo do tempo, para maior tolerância a variações de pH, maior resistência ao álcool e rendimento da fermentação.
Tudo o que é necessário para iniciar a fermentação é misturar o inóculo de leveduras e manter as condições adequadas para o seu crescimento e produção de etanol. O tempo de fermentação pode variar com a matéria-prima, o microrganismo, o pH, temperatura e diversos outros fatores, levando, normalmente, de dois a cinco dias. Diversos fatores físicos (temperatura, pressão osmótica), químicos (pH, oxigenação, nutrientes minerais e orgânicos, inibidores) e microbiológicos (espécie, linhagem e concentração da levedura, contaminação bacteriana), afetam o rendimento da fermentação, ou seja, a eficiência da conversão de açúcar em etanol.
O mosto fermentado (vinho) que vem da fermentação possui, em sua composição, 7 a 10 % em volume de álcool, além de outros componentes de natureza líquida, sólida e gasosa. O álcool presente neste vinho é recuperado pela destilação, processo de separação de componentes de uma mistura baseado nas suas capacidades de evaporação em uma dada temperatura e pressão. Na destilação, a mistura é aquecida até a fervura, sendo que os vapores são resfriados até se tornarem líquido novamente.
Assim, o efeito final é o aumento da concentração do componente mais volátil (álcool) no vapor e do componente menos volátil (caldo fermentado) no líquido. Por este processo obtém-se, a partir de um vinho de 7 a 9% de teor alcoólico, um teor próximo a 96% em etanol. A partir deste ponto ocorre um fenômeno físico, denominado "azeotropia" e a destilação fracionada não funciona mais. A mistura nesta composição é chamada "mistura azeotrópica". A formação da mistura azeotrópica na destilação determina a existência de duas classes de álcool: álcool hidratado e álcool anidro ou absoluto. As
Página 6 de 9 especificações para os tipos de álcool hidratado e do anidro dependem basicamente da aplicação que será dada ao álcool.
O álcool hidratado, produto final dos processos de destilação e retificação, é uma mistura binária álcool-água que atinge um teor da ordem de 96°GL. Este álcool hidratado pode ser comercializado desta forma para ser utilizado em carros a álcool e bicombustíveis ou pode sofrer um processo de desidratação para se tornar anidro e ser utilizado como mistura carburante na gasolina.
Atualmente, três métodos principais são usados na obtenção de etanol anidro, a destilação azeotrópica, destilação extrativa e destilação com peneiras moleculares. De fato, sendo a secagem do álcool mais uma etapa de fabricação que requer trabalho adicional, gastos e energia, deve-se considerar muito seriamente as vantagens e desvantagens de se fabricar álcool hidratado ou anidro.
2 (dois) balões de fundo redondo de 1000 mL; 2 (dois) balões de fundo redondo de 250 mL; 2 (duas) cabeças de destilação; 2 (dois) joelhos; 2 (dois) destiladores; 2 (duas) colunas de destilação; 1 (um) cadinho; 2 (duas) mantas de aquecimento; 2 (dois) termômetros; recipientes plásticos; 1 (um) kg de batata-doce branca; 1 (um) kg de milhoverde; 1 (um) kg de sorgo sacarina; 1,5 kg de fermento biológico fresco, água.
Parte1: Processo Fermentativo
Primeiramente, cozinhou-se 1 kg de batata-doce triturada em três litros de água de água. Assim, como o 1 kg de sorgo sacarina em dois litros de água e 1 kg de milho-verde triturado em dois litros de água (figura 1). Essas misturas foram resfriadas até atingir, aproximadamente, de 50°C e a elas adicionou-se 180 gramas de fermento biológico fresco. Cada mistura foi dividida ao meio, e esta metade foi colocada em um recipiente plástico de 5 litros. Cuidados foram tomados para evitar o excesso de gás carbônico dentro do recipiente.
Figura 1: Cozimento (a) batata-doce, (b) sorgo sacarina, (c) milho e (d) fermento utilizado no experimento.