UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA POLITCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

ANLISE TCNICO-ECONMICA DA PRODUO DE LCOOL

A PARTIR DO BAGAO DE CANA-DE-ACAR

Alexandre Fusco Kronemberger

So Paulo

2009

UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA POLITCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

ANLISE TCNICO-ECONMICA DA PRODUO DE LCOOL

A PARTIR DO BAGAO DE CANA-DE-ACAR

Alexandre Fusco Kronemberger

Trabalho de formatura apresentado

Escola Politcnica da Universidade de

So Paulo para obteno do ttulo de

Graduado em Engenharia

rea de Concentrao:

Engenharia Mecnica

Orientador:

Prof. Dr. Silvio de Oliveira Jr.

So Paulo

2009

AGRADECIMENTOS

Agradeo primeiramente Deus, por me prover sabedoria e discernimento

nas escolhas, sade e disposio para enfrentar s adversidades e principalmente

por me mostrar sempre a luz nos caminhos que escolhi para vida, pois tenho certeza

que se hoje sou to merecedor de tudo que j alcancei, o Sr. tambm o por me dar

seu aval e beno, possibilitando que tudo isso fosse possvel.

Agradeo tambm aos meus familiares e amigos pela pacincia,

compreenso e apoio, principalmente nos momentos mais difceis.

Agradeo em especial minha me Ana Maria Fusco Kronemberger, por me

prover a vida, me ensinar o significado de amar e a importncia de cuidarmos dia

aps dia daqueles que nos cercam.

Agradeo ao meu orientador Prof. Dr. Silvio de Oliveira Jr. pelo

direcionamento no trabalho de formatura e em extenso todos os professores da

Escola Politcnica da Universidade de So Paulo dos quais tive a oportunidade de

ser ensinado.

Agradeo tambm ao Prof. Dr. Luiz Felipe Pellegrini por sua ajuda ao longo

do trabalho de formatura e por sua tese de doutorado que serviu de referncia

fundamental boa execuo do trabalho.

FICHA CATALOGRFICA

Kronemberger, Alexandre Fusco

Anlise tcnico-econmica da produo de lcool a partir do

Bagao de cana-de-acar / A.F. Kronemberger. So Paulo,

2009.

93 p.

Trabalho de Formatura - Escola Politcnica da Universidade

de So Paulo. Departamento de Engenharia Mecnica.

1. Cana-de-acar 2. Bagaos 3. Hidrlise 4. Celulose 5. Eta-

nol I. Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departa-

mento de Engenharia Mecnica II. t.

RESUMO

O presente trabalho de formatura estuda a viabilidade tcnico-econmica de

destinar parte do bagao de cana-de-acar para o aumento da produo de etanol

atravs de um processo de hidrlise da celulose, ao invs de sua utilizao de forma

integral como combustvel em geradores de vapor de ciclos Rankine de cogerao

que fornecem potncia mecnica para usina e energia eltrica para a rede. Esta

avaliao foi realizada mais detalhadamente atravs de um estudo de caso de um

processo de hidrlise cida que utiliza cido sulfrico baixa concentrao

combinado com um solvente orgnico, no caso o prprio etanol, para facilitar a

retirada dos acares contidos na celulose e hemicelulose do bagao da cana-de-

acar.

Foi obtido como resultado principal o aumento de produtividade de quase

14%, passando de atuais 92,5 l etanol/ton cana para 104,9 l etanol/ton cana. Tal

aumento, provou-se ser ainda baixo, porm j satisfatrio, frente ao potencial que

pequenos incrementos de tecnologia possam alcanar.

Em termos energticos o aumento da demanda de vapor de mostrou-se um

parmetro crtico, tendo atingido acrscimos de mais de 110% em comparao ao

utilizado para os processos de produo tradicional. Este valor alm de restritivo

bastante preocupante pois compromete a quantidade de excesso de bagao

remanescente na usina, reduzindo drasticamente a parcela que pode ser destinada

sofrer a hidrlise. Tal aumento na demanda de vapor se deveu principalmente

necessidade de se elevar a temperatura da mistura que chega ao reator e

secundariamente necessidade de se recuperar o etanol utilizado como solvente

para ser realimentado no processo nas colunas de destilao.

Em termos de exergia o principal responsvel pelas irreversibilidades nos

processos foi a fermentao, como era de se esperar, sendo responsvel por quase

76% da exergia destruda, seguido pelo trocador de calor, tanque de recuperao de

etanol e vlvula de expanso.

Em termos de custo, foram levantados os custos de produo em base

exergtica e em seguida realizou-se a converso para base mssica, obtendo

valores de custo de produo para a totalidade do etanol de 0,4009 USD/l etanol

total, valores estes no muito diferentes dos obtidos de acordo com pesquisas de

processos de produo que utilizam como cultura a cana-de-acar (0,25 - 0,37

USD/l etanol).

Porm atravs da suposio que o custo composto linearmente pela parcela

de produo tradicional e a parcela de produo por hidrlise pode-se obter, atravs

de uma proporcionalidade entre os volumes de cada rota, o real valor do custo do

etanol de hidrlise. Assim, chegou-se a valores de 1,114 USD/l etanol.

Tambm foi feita uma anlise em busca do preo de venda que equilibrasse a

receita entre a produo tradicional e a alternativa com hidrlise e chegou-se a um

preo de venda de "break-even" de 1,08 USD/l etanol.

Assim, o custo associado apenas a parcela de produo via hidrlise remete

a valores impraticveis em termos de mercado e demanda nacional, principalmente

no eixo dos principais produtores de etanol do pas, fato este confirmado pelo

elevado valor do ponto de equilbrio entre a alternativa e ao j praticado. Porm,

quando analisado o custo global da soluo e o correspondente incremento de

rendimento por tonelada de cana-de-acar processada, a alternativa pode

representar uma maior flexibilizao da capacidade de produo e venda de etanol.

J para hidrlise enzimtica, limitaes, principalmente em termos tecnolgicos,

ainda limitam o desenvolvimento da alternativa mesmo que em carter laboratorial.

Palavras-chave: Cana-de-acar. Bagao. Hidrlise. Celulose. Etanol.

ABSTRACT

This graduation work studies the technical and economic feasibility of

destination a portion of sugar cane bagasse to increase ethanol production through a

process of hydrolysis of cellulose, rather than use it all as a fuel in steam generators

of Rankine cycle of cogeneration that provides mechanical and electric power to the

plant and to the network. This was carried out more detailed through a case study of

an acid hydrolysis process using sulfuric acid at low concentration combined with an

organic solvent, where the ethanol itself, to facilitate the removal of the sugars

contained in cellulose and hemicellulose from sugar cane bagasse.

As a primary result it was possible to increase productivity in almost 14% from

current 92.5 l ethanol / ton sugar cane to 104.9 l / ton sugar cane. This increase has

proved to be still low, but quite satisfactory, compared to the potential that small

increments of technology can achieve.

In energy terms the increase in demand for steam proved to be a critical

parameter, reaching more than 110% of increase, compared to that used for

traditional production processes. This value also is quite worrying as it is restrictive

because it jeopardizes the amount of bagasse excess remaining at the plant,

drastically reducing the portion that can be directed to hydrolysis processes. This

increase in steam demand is primarily due to the need to raise the temperature of the

mixture that reaches the reactor and secondly the need to recover the ethanol in

distillation columns used as solvent for the feed back process.

In terms of exergy the primary cause of irreversibility was the fermentation

process, as might be expected, accounting for nearly 76% of the destroyed exergy,

followed by heat exchanger, tank recovery of ethanol and expansion valve.

In terms of cost, production costs were raised on exergetic basis and then held

a conversion to mass basis, obtaining values of 0.4009 USD / l ethanol for the whole

production of ethanol, a result not as distant that the ones obtained according to a

research from production processes that use sugar cane to produce ethanol (0.25 to

0.37 USD / l ethanol).

But by the assumption that the cost is composed by a linear plot of traditional

production and hydrolysis production, the actual value of the cost of ethanol from

hydrolysis can be obtained through a proportionality between the volume of each

route. Thus, the value was 1.114 USD / l ethanol.

It has also been analyzed in search of the break-even selling price to balance

between revenue production with traditional and alternative hydrolysis. The value

reached was 1.08 USD/l ethanol.

Thus, the cost associated with only the production via hydrolysis refers to

impractical values in terms of domestic market and demand, especially in the axis of

the main producers of ethanol in the country, a fact confirmed by the high value of

the break-even point. However, when analyzing the overall cost of the solution and

the corresponding increase in revenue per ton of cane processed, the alternative

may represent a more flexible production capacity and sale of ethanol. As for

enzymatic hydrolysis, limitations, especially in terms of technology, still limit the