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Revista de Ciencia y Tecnología

On-line version ISSN 1851-7587

Rev. cienc. tecnol.  no.26 supl.1 Posadas Dec. 2016

 

INGENIERÍA, TECNOLOGÍA E INFORMÁTICA

Producao do bio-oleo a partir distintas materias-primas no Brasil

La produccion de bio-aceite a partir de diferentes materias primas en Brasil

Production of bio-oil from different raw materials in Brazil

 

Caroline T. Eckert1,*, Elisandro P. Frigo2, Angelo G. Mari1, Paulo J. Ferreira 2 , Anderson E. Grzesiuck2, Kenia G. Santos1, Leandro P. Albrecht2, Alfredo J. P. Albrecht2, Vanessa A. Egewarth3

1 Universidad del Estado de Parana Occidental. Calle Universidad, 2069 - Universidad Jardin, Cascavel - PR, Brasil.
2 Universidad Federal de Parana. Calle Pioneer, 2153 – Jardin Dallas, Palotina – PR, Brasil.
3 Universidad del Estado de Parana Occidental. Calle Pernambuco, 1777, Marechal Candido Rondon – PR, Brasil.
* E-mail: carolt.eckert@gmail.com


Resumo

A tecnologia de pirolise e considerada promissora para conversao de biomassa celulosica. E esta revisao fornece uma visao geral de producao de bio-oleo a partir de pirolise e as possibilidades de empregabilidade comercial no Brasil. Retratando metodos de producao, modernizacao, alem da producao de insumos, como: o mercado madeireiro, a geracao de residuos agropecuarios e de residuos urbanos, que podem incrementar a producao energetica nacional, sem inferir na competicao por area e emissao de poluentes.

Keywords: Biocombustiveis; Biomassa; Pirolise; Bioenergia; Residuos.

Resumen

La pirolisis se considera tecnologia prometedora para la conversion de biomasa celulosica. Y esta revision proporciona una vision general de la bio-aceite de pirolisis y de empleo comercial oportunidades en Brasil. Retratando metodos de produccion, la modernizacion, asi como los insumos de produccion, como el mercado de la madera, la generacion de residuos agricolas y residuos municipales, que puede construir la produccion nacional de energia sin inferir en la competencia por el area y las emisiones.

Palabras clave: Biocombustibles; Madera; Pirolisis; Bioenergia; Residuos.

Abstract

Pyrolysis is considered promising technology for converting cellulosic biomass. This review provides an overview of pyrolysis bio-oil and its commercial use opportunities in Brazil. Portraying production methods, modernization, as well as production supplies, such as the timber market, the generation of agricultural waste and municipal waste can build national energy production without interfering in the competition for area and emissions.

Keywords: Biofuels; Wood; Pyrolysis; Bioenergy; Waste.


 

Introducao

A biomassa pode ser convertida em distintos combustíveis utilizando inúmeros processos, que vão de acordo com as características do material e da demanda de produto final. Dentre as conversões de biomassa estão os métodos termoquímicos (gaseificação, pirólise e combustão) que geram gases combustíveis (gás de síntese), combustíveis líquidos (bio-óleo) e sólidos (carvão), além de produtos químicos [1]. O bio-óleo, também conhecido como líquido pirolítico, bio-petróleo bruto, óleo de madeira, dentre outros, destacase em meio aos estudos por sua característica favorável na conservação ao meio ambiente, também como solução para a substituição dos combustíveis fósseis [2, 3]. A tecnologia de produção de bio-óleo é largamente desenvolvida, e envolve a decomposição térmica da biomassa, na ausência de oxigênio, contendo ou não catalisadores. A pirólise pode ser distinguida em diferentes tempos reacionais, temperaturas e pressões, destacando-se: a pirólise lenta, a convencional, a rápida, a flash e a ultrarrápida [4]. As propriedades químicas do bio-óleo o tornam competitivo contra o óleo combustível em termos de viscosidade, o bio-óleo possui entre 40 a 100 cP (centipoise) e o diesel possui viscosidade acima de 180 cP. No entanto, a quantia de oxigênio presente nas moléculas de bio-óleo o tornam altamente oxidável, contendo entre 35 a 40% (m m-1), enquanto que o óleo combustível possui até 1% (m m-1), destacando a necessidade de processos de desoxigenação do bio-óleo [1].
Para obtenção de melhor qualidade do biocombustível, a biomassa empregada é uma variável a ser levada em consideração, sendo as mais usuais, as de origem florestal, resíduos sólidos urbanos e resíduos agrícolas. Além desses fatores, os reatores a serem utilizados na pirólise, devem apresentar um bom desempenho, visto que se necessita de condições extremas e que não haja elevadas variações no decorrer do processo [5, 6, 7].
Destacando, contudo neste trabalho, as formas de obtenção do bio-óleo, o upgrading do combustível, a importância do setor madeireiro para o país, assim como a produção agropecuária, a geração de resíduos agrícolas e urbanos, e as perspectivas de produção de bio-óleo a partir dessas matérias-primas para o Brasil. Portanto, o objetivo da presente revisão é destacar o potencial de produção de bio-óleo, utilizando das suas principais características agrícolas, pecuaristas e urbanas, e enfatizando o uso residual para geração energética.

Obtencao e caracterizacao

De acordo com Ricardo [5], a obtenção do óleo de madeira é decorrente da pirólise, que consiste em temperaturas e pressão elevadas, baixo índice de oxigênio, exercendo sobre a biomassa reações ininterruptas de craqueamento, decomposição, condensação e polimerização da matéria (Figura 1). São obtidos no decorrer do processo resíduos sólidos de caráter alcalino, cinzas e vapores, e que sofrem um rápido processo de condensação. No entanto, o líquido pode continuar sofrendo reações químicas, como a oxidação, no decorrer do tempo [6, 8].


Figura 1:
Processo de producao do bio-oleo e outros produtos da pirolise.
Fonte: [9].

O combustível apresenta propriedade promissora de utilização como aditivo em outros combustíveis, amenizando fatores específicos de indústrias alcooleiras, de celulose, agroindústrias, e que além de gerar benefícios de caráter social, com a utilização de resíduos municipais sólidos [10] atribui valor agregado ao resíduo e gera empregabilidade. Sendo o bio-óleo uma mistura complexa de compostos oxigenados, álcoois, cetonas, aldeídos, advindos da matéria orgânica, oriundos da desintegração e despolimerização de celulose, hemicelulose e lignina, além dos compostos oxigenados mistos, os açúcares e furanos, são efeitos da pirólise primária, enquanto os guaiacóis e seringóis são produtos da fragmentação da lignina [6, 11]. De acordo com Almeida [6], ressaltou que das características de composição do bio-óleo, ele apresenta elevado teor de umidade, advinda das reações químicas e da biomassa utilizada, além de partículas sólidas (cinzas e carvão) e metais alcalinos, que incorporam coloração marrom escuro e odor característico de fumaça [1]. Também se torna característica do combustível, baixo poder calorífico, sendo cerca de 40% inferior ao do petróleo, entre 16 e 19 MJ kg-1, pH ácido, em torno de 0,5 a 2,5, densidade elevada (1,2 kg L-1), baixa viscosidade, imiscibilidade em hidrocarbonetos [2] e sensibilidade a elevadas temperaturas [5].
No entanto, segundo Torri [12] a abundante presença de lignina na madeira (coníferas com 33% e folhosas com 25%) desencadeia a função de tecido de sustentação, uma estrutura de difícil clivagem termoquímica. Ricardo [5] cita que, a presença elevada de lignina, gera menor rendimento, favorece a obtenção de carvão vegetal e não do combustível líquido. Segundo Pedroza [13], dentre as tecnologias para o aproveitamento da biomassa, a pirólise (Tabela I) destacase por apresentar características mais vantajosas, pois expõe como produto de sua reação, o óleo, e em minoria o carvão e o gás.

Tabela I: Produtos tipicamente obtidos por diferentes formas de pirolise da madeira.

De acordo com as características da pirólise pode-se receber várias denominações [6], como a pirólise lenta: denominada de carbonização, com temperaturas de atuação entre 300 a 500 °C e elevado tempo (horas ou dias) de residência, gerando principalmente carvão vegetal. Em seguida tem-se a pirólise convencional, que possui baixa temperatura, 400 a 600 °C, em um considerável intervalo de tempo, entre 5 a 30 minutos. Apresentando como produto o bio-óleo, carvão e gás [15, 16].
A pirólise rápida atua entre 400 a 650 °C, com intervalo de tempo entre 0,5 e 5 segundos, produzindo principalmente o bio-óleo [17]. Pirólise flash, é distinta da rápida pois demanda de elevada temperatura e um baixo intervalo de tempo (~1 segundo). Subdividida entre pirólise flash líquida e gasosa, a líquida com temperaturas entre 400 a 650 °C, e a gasosa, superior a 650 °C, os seus produtos majoritários são o bio-óleo e o gás combustível, consecutivamente [18, 19]. Ademais, a pirólise ultrarrápida atua com temperaturas acima de 1.000 °C, em até 0,5 segundo, favorecendo a produção de gás combustível [20]. A pirólise da biomassa é um fenômeno com alta complexidade, que possui variáveis de processos físicos e químicos, e que ocorrem simultaneamente, podendo, algumas vezes, competir entre si. O domínio da técnica é necessário para que ocorram os resultados planejados, e que haja eficiência na produção [21].

Upgrading do bio-oleo
O Bio-óleo apresenta algumas características desfavoráveis que necessitam ser modificadas para bom desempenho do produto final, dentre eles estão, a grande quantidade de água, o baixo poder calorífico e os compostos oxigenados. Devido a essas características físicoquímicas, estudos de upgrading são desenvolvidos, com o propósito de se obter um produto com maior qualidade e aplicabilidade [12].
Torri [12] descreve que, a fim de melhorar o combustível, é necessário que seja contabilizado a quantia disponível de oxigênio no óleo, a partir de então, escolher o método de upgrading que melhor desempenhará a função. Hidrodesoxigenação (HDO) é um método indicado para minimizar os teores de oxigênio, em que, consiste na inserção de hidrogênio nas moléculas, em temperaturas moderadas e em altas pressões, fazendo com que o oxigênio seja suprimido na forma de água [22]. O craqueamento com zeólitas atua com polimerização, desidratação, craqueamento, desoxigenação e aromatização. O processo exige temperaturas entre 300 a 500 ºC, com pressão atmosférica. Sendo o produto dessas reações compostos aromáticos e alifáticos, solúveis em meio polar e apolar [23]. Outro método que pode ser empregado para melhorar aspectos físico-químicos do combustível é misturar o bio-óleo com diesel, emulsionando com auxílio de surfactantes, no entanto, as blendas que apresentam menores concentrações de diesel geram corrosividade nos injetores dos motores de combustão interna [24].
A reforma de bio-óleo também é empregada para conversão em co-produtos, como o hidrogênio e produtos químicos, o hidrogênio é gerado a partir da porção hidrofílica do combustível, e a parte hidrofóbica das moléculas é utilizada para a obtenção de produtos químicos [25].

Materias primas

Madeira florestal e residual
Entre as décadas de 60 e 80, programas de incentivo ao reflorestamento causaram crescimento no setor, consolidando e estruturando a atividade. Em 1987 houve a extinção do Fundo de Incentivo Setorial o que acarretou na desaceleração dos plantios florestais [26]. Apesar do retardamento causado pela falta de financiamentos, a quantia de florestas plantadas no Brasil aumentou em comparação com as florestas naturais, destacando-se a partir do ano de 1996 [27]. De acordo com dados do último relatório da Associação Brasileira de Produtores de Florestas Plantadas [28], as florestas que estão vinculadas a associação, diminuíram em produção, de 2.232.023 hectares em 2010 para 2.155.023 hectares em 2012, sendo não contabilizadas as florestas plantadas para fomento, arrendamento e as naturais. A geração de energia a partir de biomassa no Brasil ainda é tímida em comparação com outras matérias primas, cerca de 15% [28]. No entanto, a quantidade especificamente ligada a florestas (Figura 2), corresponde a uma porcentagem ainda menor, próximo de 2% da matriz energética nacional [29].


Figura 2:
Distribuicao de usinas termeletricas a base de biomassa no Brasil, 2012.
Fonte: [30]

Atualmente o Ministério do Meio Ambiente, com o Programa Nacional de Florestas, articula as políticas setoriais para promoção do desenvolvimento sustentável, conciliando o uso e a conservação das florestas brasileiras [31]. O consumo de carvão vegetal diminuiu nos últimos anos (Figura 3) o que causou uma queda brusca na produção do combustível, que apesar dessa minimização ainda atua com grande importância no setor siderúrgico, substituindo o óleo combustível nas caldeiras e nos fornos de combustão [32]. Ademais, o uso de carvão vegetal pelas indústrias deverá se adequar até 2020 a legislação, que regulamenta o uso exclusivo de florestas sustentáveis destinados a carvoaria [33].


Figura 3:
Producao de carvao vegetal entre 1962 a 2010.
Fonte:
[34].

O setor madeireiro na região amazônica está em decadência, pois decorre de um processo exploratório intensivo, ressaltando a importância de plantios florestais na Amazônia, para recuperar as áreas degradadas e suprir a demanda de matéria-prima [35]. As toras de madeira são outro crescente nicho de mercado (Figura 4) principalmente as tropicais brasileiras que são a principal atividade econômica de extração na região da Amazônia, e que possuem alto grau de exportação [36].


Figura 4:
Producao de toras de madeira entre 2003 e 2013. Fonte: [34].

Os resíduos madeireiros não são mais considerados passivos ambientais e sim alternativas energéticas, seja ela como co-geração ou produção de outro equivalente, o que converte a preocupação ambiental em mais uma forma de rentabilidade [37].

Agropecuaria
Além da produção do bio-óleo a partir de madeira e resíduos florestais, também são empregados os resíduos agrícolas, que apesar de não possuírem alto poder calorífico, a quantidade disponível anualmente é significativamente grande [12].
De acordo com a oitava estimativa do Levantamento Sistemático da Produção Agrícola [38] a produção de cereais, leguminosas e oleaginosas irá aumentar 8,6%, em comparação com o ano de 2014, produzindo 210,0 milhões de toneladas em 2015. Estando responsáveis por mais de 90% desse valor, o arroz, o milho e a soja, o que resulta em alta quantidade de palhada disposta no campo e que pode ser convertida em combustível [10, 39, 40]. O resíduo obtido do arroz não pode ser empregado na alimentação animal, pois contém elevado teor de sílica e baixo valor nutricional, o que o torna uma matéria-prima propícia para a pirólise [41]. O bagaço e a palha de cana de açúcar também são utilizados para a produção de biocombustível, gerando em torno de 18 MJ Kg-1 de poder calorífico superior [42]. Outro insumo para o bio-óleo é a fibra de coco, que de acordo com Schena [43] são gerados anualmente cerca de 1,6 milhões de toneladas, e que possuem dificuldade de absorção por setores produtivos energéticos. De acordo com Borges [44] utilizando da pirólise rápida com aquecimento via micro-ondas, testou-se serragem de madeira e farelo de sabugo de milho, obtendo rendimento médio em bio-óleo de 65% com 20,38 MJ Kg-1 e 64% com 20,39 MJ Kg-1 respectivamente, demonstrando a potencialidade dos subprodutos.
O uso de resíduos agrícolas se tornou uma opção menos onerosa em termos ambientais, principalmente quando a disposição do resíduo pode acarretar em riscos ambientais ou toxicológicos. Também proporcionam vantagens econômicas, pois os resíduos possuem baixo valor agregado, além de não gerar concorrência com a cadeia alimentícia [45]. Empregar resíduos agroindustriais é um benefício adicional em termos de transporte, pois a geração do combustível no local pode incluir o consumo do mesmo, promovendo economia no setor [46].

Urbano
Outra realidade é a pirólise de resíduos urbanos, que seriam encaminhados para aterros sanitários, mas que possuem beneficiamento e geração de energia em usinas de pirólise. A cada mil toneladas de resíduos disposto para tratamento térmico, há a produção de em torno de 30 MW de energia [47, 48]. Os componentes dos resíduos sólidos urbanos (RSU) juntamente com as reações térmicas, podem liberar compostos indesejáveis ao meio, constando então a necessidade de obtenção de dados precisos sobre o material utilizado para a compreensão do que a pirólise do material pode gerar (Figura 5) [49, 50]. O Brasil gera mais de 208.000 toneladas de RSU, diariamente [52]. A geração per capita em média é de 1,15 kg de RSU por pessoa dia-1, sendo que o país possui em torno de 200,4 milhões de pessoas. A recolha de resíduos sólidos urbanos de lares abrangeu 98% da população urbana e 80% da população de todo o país [53]. Considerado como uma problemática comum na gestão de resíduos [54], os RSU aumentaram dramaticamente, evidenciando que o consumo de bens e o estilo de vida moderno contribuem para a demanda de tecnologias que absorvam esses resíduos, transformando-os em formas úteis de consumo [55, 56] .


Figura 5:
Estimativa da composicao gravimetrica dos Residuos Solidos Urbanos do Brasil.
Fonte: [51].

Perspectivas de producao de bio-oleo no Brasil
Os potenciais fornecedores de matéria-prima para a produção de biocombustíveis são países com agroindústria em destaque, que geram alta produtividade agrícola e pecuária, além de possuir grandes dimensões de terras cultivadas ou cultiváveis, localizadas especialmente nas regiões tropicais e subtropicais [30]. Assegurando o consumo, o mercado possui tamanho e demanda suficiente para permitir que hajam ganhos de escala e que reforce a competividade de negócios bioenergéticos [57]. No ano de 2014 houve crescimento de 7,4% na geração de biocombustíveis, sendo que o Brasil se destacou como segundo colocado no ranking mundial (Tabela II). O etanol progrediu 6,0%, enquanto que o biodiesel aumentou 10,3%, realçando o papel da América do Sul no desenvolvimento dessas categorias de combustíveis [58].

Tabela II: Paises responsaveis pela producao mundial de biocombustiveis, em 2014.

Um entrave para a implantação de usinas de pirólise é a logística da matéria-prima, em que o custo de envio da biomassa para a usina, consome parte do lucro líquido obtido com combustível [59]. Os custos finais para a geração de bio-óleo são extremamente dependentes do teor de umidade da matéria prima, do tamanho da partícula de biomassa, da eficiência da unidade de pirólise e da forma utilizada para produzir o combustível [60]. Apesar do potencial destes processos, a heterogeneidade dessas matérias-primas dificulta a sua aplicação final, em que o desempenho dos processos termoquímicos, são dependentes da composição do combustível. Necessitando inteiramente de uma caracterização do comportamento térmico das matérias-primas, garantindo a operacionalidade da pirólise [61].

Consideracoes finais

A iniciativa por viabilização de tecnologias que convertam biomassa, seja em sua forma cultivada ou residual, influencia na redução dos impactos ambientais causados pelos óleos de origem mineral. Mas para que ocorra a abrangência da tecnologia de pirólise no Brasil, são necessárias avaliações de custo e qualidade do produto, evidenciando que a qualidade é dependente da homogeneidade do bio-óleo, correlacionado com as características da matéria-prima e das atribuições do reator utilizado, e, os investimentos na tecnologia estão embutidos no reator, no upgrading, na estocagem e distribuição do combustível. E ao se identificar a melhor localização para implantação de usinas de pirólise, gera equilíbrio entre o custo e a disponibilidade do produto.

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Recibido: 10/11/15.
Aprobado: 26/04/16.

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