O pré-tratamento hidrotérmico no conceito das biorrefinarias

Hoje em dia os pré-tratamentos precisam ser robustos, para num mesmo processo, se produzirem compostos de alto valor acrescentado, como os xilooligossacarídeos (XOS) que podem ser aplicados na indústria alimentar, farmacêutica e energética, além de isto a produção de substratos para a conversão em biocombustíveis, como o bioetanol, e assim reduzir os altos custos das biorrefinerias de segunda geração. Além disso, é fundamental no desenvolvimento de reatores que ajudem a eficientar o processo de aquecimento em processos hidrotérmicos. Por tanto, o processo hidrotérmico reúne as características para ser aplicado ao conceito de biorrefinaria de segunda geração. Neste trabalho, apresenta-se o fundamento, e uma serie aplicações do pré-tratamento hidrotérmico realizados no nosso grupo de trabalho.

Avaliação de projetos de investimento em cogeração de energia utilizando bagaço de cana-de-açúcar em biorrefinarias a partir do uso da teoria das opções reais

O cenário de continuo aumento do consumo de derivados do petróleo aliado a conscientização de que é necessário existir um equilíbrio com relação a exploração de recursos naturais e preservação do meio ambiente, vem impulsionando a busca por fontes alternativas de energia. Esse crescente interesse vem se aplicando a geração de energia a partir de biomassa da cana de açúcar, que vem se tornando cada vez mais comuns no Brasil, porém ainda existe um imenso potencial a ser explorado. Dentro deste contexto, se torna relevante a tomada de decisão de investimentos em projetos de cogeração e este trabalho busca incrementar a analise e tomada de decisão com a utilização da Teoria das Opções Reais, uma ferramenta de agregação de valor às incertezas, cabendo perfeitamente ao modelo energético brasileiro, onde grandes volatilidades do preço de energia são observadas ao longo dos anos. O objetivo do trabalho é determinar o melhor momento para uma biorrefinaria investir em unidades de cogeração. A estrutura do trabalho foi dividida em três cenários de porte de biorrefinarias, as de 2 milhões de capacidade de moagem de cana-de-açúcar por ano, as de 4 milhões e as de 6 milhões, visando assim ter uma representação amostral das biorrefinarias do país. Além disso, analisaram-se três cenários de volatilidade atrelados ao preço futuro de energia, dado que a principal variável de viabilização deste tipo de projeto é o preço de energia. As volatilidades foram calculadas de acordo com histórico do ambiente regulado, o dobro do ambiente regulado e projeção de PLD, representando, respectivamente, níveis baixos, médios e altos, de volatilidade do preço de energia. Após isso, foram elaboradas as nove árvores de decisão, que demonstram para os gestores de investimento que em um cenário de baixa volatilidade cria-se valor estar posicionado e ter a opção real de investir ou adiar investimento para qualquer porte de usina. No cenário de média volatilidade de preço, aconselha-se ao gestor estar posicionado em usinas de médio a grande porte para viabilização do investimento. Por fim, quando o cenário de preços é de grande volatilidade, tem-se um maior risco e existe a maior probabilidade de viabilização do investimento em usinas de grande porte.

Dinâmica de nitrogênio em cultivo heterotrófico a partir de cianobactéria sob o escopo de biorrefinarias agroindustriais

O trabalho teve por objetivo avaliar a dinâmica de nitrogênio, em cultivo heterotrófico, a partir da cianobactéria Aphanothece microscopica Nägeli, sob o escopo de uma biorrefinaria. Neste sentido, foi avaliada a contribuição dos compostos nitrogenados não proteicos, na dinâmica de distribuição do nitrogênio, na biomassa gerada pelo micro-organismo em estudo, quando cultivado em sistema autotrófico e heterotrófico. Para o cultivo em condições autotróficas, foi utilizado o meio padrão BG-11, enquanto que, para o cultivo em condições heterotróficas, foi empregado o efluente da indústria de laticínios. Inicialmente, foi avaliada a contribuição dos pigmentos na fração nitrogenada não proteica tendo como base dois experimentos. No primeiro experimento foi selecionada a melhor condição para a produção de pigmentos, expressos pela clorofila-a em sistema heterotrófico, tendo como base os parâmetros C/N (20, 40 e 60), N/P (5, 10 e 15) e concentração de inóculo (100, 200 e 300 mg.L-1), mediante um planejamento fatorial 23 . Os experimentos foram conduzidos em biorreator heterotrófico a 20°C, pH 7,6 e aeração contínua de 1VVM. A melhor condição de produção de pigmento foi indicada como sendo a 200 mg.L-1 de concentração celular, razões C/N 20 e N/P 10. Com base nestes resultados, um segundo experimento foi delineado, visando avaliar a contribuição de pigmentos na fração de nitrogênio não proteico, bem como avaliar a produção de clorofila-a e ficobiliproteínas (ficocianina, aloficocianina e ficoeritrina), sob influência da luz e do meio de cultivo. Foi possível destacar teores superiores de ficobiliproteínas na biomassa gerada no cultivo heterotrófico. No entanto, com notada diferença (p≤0,05) nos teores de clorofila-a, quando são comparadas as concentrações na biomassa de meios autotróficos (10,7 mg.g-1) e heterotróficos (1,0 mg.g-1). Fato este compensado pelo menor tempo de cultivo registrado para atingir o final do experimento, quando o micro-organismo é cultivado em condições heterotróficas. Fica demonstrado assim, ainda, a importante contribuição dos pigmentos na fração de nitrogênio não proteico. Na sequência, um terceiro e quarto experimentos foram delineados, visando avaliar a influência do nitrogênio inorgânico intracelular na fração não proteica e na produção de proteína, assim como a caracterização da fração proteica quanto ao seu perfil aminoacídico. O estudo da dinâmica do nitrogênio intracelular demonstrou que o N-NH4 + foi a forma nitrogenada predominante, perfazendo importante fração de N-NP, sendo, portanto, os teores de N-NP significativamente dependente dos teores de pigmentos e nitrogênio intracelular. Os aminogramas das biomassas geradas pelos cultivos autotróficos e heterotróficos indicaram como aminoácidos majoritários o ácido glutâmico e aspártico, seguidos por valina, leucina e isoleucina, e como minoritários, lisina, glicina e metionina. O perfil aminoacídico caracterizou-se por apresentar aminoácidos essenciais como isoleucina, metionina + cisteína, fenilalanina + tirosina, valina e treonina em concentrações superiores ao preconizado pela FAO/WHO. A caracterização da fração proteica quanto ao perfil aminoacídico qualificou esta biomassa como fonte potencial de proteína. Os resultados obtidos neste trabalho demonstram a influência e dinâmica de distribuição dos compostos nitrogenados em Aphanothece microscopica Nägeli. Fica demonstrado, ainda, que a implementação do conceito de biorrefino, no tipo de agroindústria estudado, poderá representar importantes possibilidades de aproveitamento sustentável do efluente gerado.

Dinâmica do fósforo em cultivo heterotrófico e produção de compostos celulares por cianobactéria integrado a biorrefinarias agroindustriais

O objetivo desta tese foi avaliar a dinâmica do fósforo em cultivo heterotrófico e produção de compostos celulares por Aphanothece microscopica Nägeli visando avaliar a perspectiva de implementação de uma biorrefinaria microalgal. Desta forma, foi avaliado o comportamento do micro-organismo em estudo no cultivo heterotrófico, utilizando como meio de cultivo o efluente de laticínios. O trabalho foi desenvolvido em 3 etapas. Em um primeiro momento foi avaliada a influência da temperatura (20 e 30°C) e os valores máximos e mínimos de nutrientes, em especial do fósforo dissolvido reativo (PDR), disponíveis no efluente de laticínio, na remoção de nutrientes. Os resultados demonstraram que a concentração inicial de fósforo dissolvido e a temperatura exerceram influência no crescimento celular e na eficiência de remoção de nutrientes. Em termos de otimização de processo os cultivos conduzidos a 20°C e maiores concentrações de PDR (5,5 mg.L-1 ) no efluente de laticínio, foram os mais eficientes na conversão de poluentes em biomassa e remoção de nutrientes. A segunda etapa foi desenvolvida com o objetivo de avaliar a dinâmica de distribuição de fósforo na fase líquida e sólida do reator heterotrófico, quando o efluente de laticínio foi tratado pela Aphanothece microscopica Nägeli, a 20°C e nas máximas concentrações de fósforo dissolvido encontradas no efluente. Foi demonstrado que as formas fosforadas na fase líquida do reator se caracterizam pela predominância da fração dissolvida em comparação à particulada e por apresentar como fração predominante a de fósforo orgânico. No que se refere à fase sólida, ficou demonstrado que a Aphanothece microscopica Nägeli, quando cultivada heterotroficamente apresenta 3,8 vezes mais fósforo que o requerido para o crescimento celular. Ficando demonstrado ainda que a remoção biológica de fósforo por Aphanothece microscopica Nägeli pode resultar em substanciais aportes financeiros para as estações de tratamento de efluentes. Uma terceira etapa foi desenvolvida, a qual teve como objetivo avaliar a estimativa de produção de compostos celulares por Aphanothece microscopica Nägeli, a partir do efluente de laticínio, bem como o efeito da redução de temperatura de cultivo no teor de lipídios , no momento em que é obtida a máxima concentração deste componente celular, nas condições otimizadas.Foi obtido na fase logarítmica de crescimento, concentrações de 41,8 % de proteinas, carboidratos 28,5 %, lipídios 10,4 % e minerais 10,8 %. O maior teor de lipídio registrado a 20°C correspondeu a biomassa analisada na fase logarítmica.Com a redução da temperatura para 5°C por um período de 30 h é possível obter concentrações de lipídios 2,4 vezes superior ao registrado na fase logarítmica a 20 °C. No entanto, não foram indicadas diferenças significativas (p≤0,05) em função da temperatura entre as concentrações de lipídios obtidas para a biomassa a 10°C em 40 h. O perfil de ácidos graxos da biomassa gerada a 20°C, apresentou como ácidos graxos majoritários, os ácidos graxos: palmítico, oléico, γ-linolênico, palmitoleico e esteárico, resultando um aumento na concentração de ácidos graxos saturados as espensa dos insaturados, quando a temperatura é reduzida. Em paralelo,um reator heterotrófico descontinuo foi definido, ficando demonstrado que a extrapolação da operação em batelada para contínua requer um biorreator heterotrófico com volume útil de trabalho de 240,51 m 3 , permitindo tratar 950 m3 diários de efluente, gerando 11,8 kg.d-1 de biomassa útil para produção de compostos celulares por Aphanothece microscopica Nägeli, visando à simultânea remoção de matéria orgânica, nitrogênio total e fósforo total, gerando insumos que podem suportar a implementação de uma biorrefinaria microalgal.

Menos volume, mais valor pesquisador defende a lógica de biorrefinarias.

2015

Exploitation of Ashbya gossypii for the production of high-value products from glycerol feedstocks

Dissertação de mestrado em Bioengenharia

Caracterização, análise e perspectivas da matriz energética do setor de papel e celulose

O segmento de papel e celulose é um dos mais importantes segmentos industriais eletrointensivos do país. As unidades industriais são intensivas tanto no uso de energia térmica quanto elétrica, nas diversas etapas da produção de celulose e posteriormente na fabricação de papel. Grande parte dessa demanda energética é suprida por combustíveis provenientes do próprio processo, como o licor negro e biomassa florestal, entretanto, em muitos casos as unidades não são autossuficientes em energia. A matriz energética dessa indústria se baseou, inicialmente, no suprimento através do óleo combustível, abundante e barato. Todavia, com as crises de petróleo e a recessão estabelecida no país na segunda metade da década de 70, ocorreram rápidas e significativas mudanças, motivadas pelo incentivo do uso do licor negro em caldeiras de recuperação química. O gás natural, com a exploração das bacias de Santos e Campos, bem como com a construção do Gasoduto Brasil-Bolívia, também se tornou uma boa opção energética para a substituição do óleo combustível. Nesse trabalho buscou-se analisar as possíveis trajetórias da matriz energética da indústria de papel e celulose brasileira, no horizonte de curto e médio prazo, assim como identificar os fatores de transformação no histórico da matriz e definir tendências para o mercado de combustíveis e para o desenvolvimento tecnológico associado ao uso dos produtos energéticos no setor. As principais mudanças na participação dos insumos energéticos dessa indústria se deveram não somente pela relação de preço, mas também associadas às políticas setoriais, como o incentivo à autoprodução de energia e aproveitamento de subprodutos para diminuir a dependência externa de combustíveis e energia elétrica. Investimentos no aumento de eficiência dos processos e a adoção de tecnologias avançadas na geração de energia levarão à menor dependência externa de combustíveis e energia elétrica. A elevação dos preços dos combustíveis fósseis, associada à formação pouco transparente do preço em mercados verticalizados, tem proporcionado um incentivo à ampliação do uso de biomassa na matriz energética. Além disso, diante das incertezas sobre a demanda futura de celulose,a competitividade da indústria de papel e celulose estará vinculada à diversidade nos produtos gerados, aplicando o conceito de biorrefinarias florestais e realizando os múltiplos aproveitamentos da biomassa em rotas tecnológicas distintas.

Determinação de parâmetros de transferência de massa do processo de extração supercrítica

A extração com fluido supercrítico de materiais líquidos e sólidos despertou o interesse para aplicações industriais nas últimas décadas, mais particularmente sob o conceito de química verde e biorrefinarias, portanto é fundamental que se faça uma modelagem desse processo a fim de otimizar as condições operacionais e simular o processo. O objetivo geral deste trabalho consiste na determinação de parâmetros de transferência de massa do processo de extração supercrítica de matriz sólida, empregando o dióxido de carbono como solvente, a partir de dados cinéticos de extração e na avaliação sistemática de cinco modelos matemáticos para descrever as cinéticas de extração dos óleos da polpa e da casca do buriti, do óleo de açaí de da oleoresina de cúrcuma, medidas no Laboratório de Extração Supercrítica, da Faculdade de Engenharia Química (UFPA), a fim de contribuir para o estudo de ampliação de escala e análise de custo de produção. Foram avaliados os modelos de Tan e Liou, Goto et al. (1993), Martinez et al. (2003), Esquível et al. (1999), e Sovová (1994). A modelagem das cinéticas de extração foi realizada utilizando aplicativos computacionais desenvolvidos e validados neste trabalho a partir de diferentes dados experimentais publicados na literatura. Diante de 40 cinéticas medidas com diferentes equipamentos de extração, configurações de leito, tipos de matérias primas, preparo dos materiais, pressão e temperatura e outros parâmetros de processo (com destaque ao rendimento global e a vazão de solvente), foi construído um panorama dos resultados acerca da capacidade dos modelos de transferência de massa em descrever as mais diferentes curvas globais de extração. De forma geral, os modelos de Goto et al. (1993) e Sovová (1994) apresentaram as melhores previsões aos dados experimentais das matérias primas tratadas neste trabalho com menores valores de quadrado, erros relativo, faixa de erro e desvios padrão e valores de R² próximos da unidade.

Termodinâmica e o uso eficiente de recursos : análise exergética de uma biorrefinaria de cana-de-açúcar

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2015.

Propriedades energéticas de produtos oriundos da pirólise rápida de finos de eucalipto.

2016

Caracterização do bio-óleo e extrato leve obtidos em uma planta piloto de pirólise rápida.

2016

Obtenção de lignina em escala nanométrica.

2016