Global action

A Figura 7.6 mostra uma estimativa do balanço energético para o processo estudado considerando os HH gerados pelas 4 condições de desejabilidade. Na Figura 7.6 é possível perceber que a DA do HH em um único estágio tem balanço positivo somente para o HH gerado pela condição DC2 (0.96 MJ.kg BC-1

base seca). Estes resultados mostram que se somente um único estágio for usado durante a DA do HH gerado pela AH do BC, o aproveitamento da fração hemicelulósica para produção de CH4 só será viável energeticamente para condições mais brandas (DC2 = 178,6°C por 43,6 min), que são capazes de gerar um HH com menores teores de compostos tóxicos e de mais fácil degradação.

Ao contrário disso, quando o sistema em duplo estágio (DA-2S) foi utilizado a Figura 7.6 mostrou que para todos os HH o balanço energético mostrou-se positivo, sendo as melhores recuperações de energia sendo observadas para as condições de pré-tratamento por AH mais severas tais como as condições DC3 (178,6°C por 55 min) e DC4 (182,9°C por 40,71 min). Estes resultados são muito interessantes, pois abrem caminho para a possibilidade do uso de maiores temperaturas e tempos durante a AH sem a preocupação da perda de recuperação de energia por parte do HH. Soma-se a isso o fato de que, sob condições mais severas, uma fração maior das hemiceluloses e lignina é solubilizada. Tal fato é importante quando se avalia o uso da fração sólida remanescente para a produção de etanol 2G após sua hidrólise enzimática.

O HH que exibiu o melhor balanço de energia para o sistema de DA-2S foi aquele produzido pela condição DC4, com aproximadamente 3,2 MJ por kg de BC em base seca processado durante a AH. Este valor é menor que os 7,98 MJ.kg BC-1base seca observado por Kumari e Das (2015) que avaliaram a recuperação de energia a partir do pré-tratamento alcalino seguido de hidrólise enzimática. No entanto, apesar do bom resultado encontrado é valido salientar que nesse estudo os autores não consideraram a energia despendida durante o

136 pré-tratamento. Além disso, a produção de biogás ocorreu considerando toda a mistura gerada após o pré-tratamento, não fazendo distinção da fase sólida enriquecida em celulose e do HH. O uso da fração sólida enriquecida de celulose para produção de biogás concorre diretamente como uso da mesma para a produção do etanol 2G, um dos principais produtos da biorrefinaria da cana-de-açúcar.

Figura 7.6: Estimativa energética para o HH gerado pela AH do BC tratado anaerobicamente em sistema de único (DA) e duplo estágio (DA-2S)

A explicação para a maior recuperação de energia observada para o HH DC4 em comparação com os outros HH é o ganho de energia a partir da combustão do CH4. Para este HH, a inclusão da etapa acidogênica provocou um aumento na produção de CH4 de 1,17 Nm3 CH4.kg COT-1 em relação à quantidade de CH4 recuperada em um único estágio, considerando uma eficiência de 90% (ver seção 7.3.5). Neste cenário o ganho de energia promovido pela inclusão da etapa acidogênica foi de 36,3 MJ.kg COT-1, que é maior do que . aqueles observados para os HH obtidos nas condições DC1 (8.0 MJ.kg COT-1), DC2 (7.8 MJ.kg COT-1) e DC3 (32,3 MJ.kg COT-1). Adicionalmente, outro ponto que pode ser enfatizado é que a menor quantidade de H2O ~ 3,95 mL por kg de BC usada na condição DC4, quando comparada com as quantidades usadas nas outras condições (DC1~6,99 mL, DC2 ~ 4,20 mL e DC3 ~ 5,26 mL) contribuiu para uma menor quantidade de energia gasta durante o pré-tratamento, uma vez que grande parte da energia requeria é usada para aquecer a água.

137 A Figura 7.7 mostra um fluxograma do processo sugerido para maximizar a geração de energia considerando a integração do processo de produção do etanol 1G e 2G, considerando o pré-tratamento por AH como etapa responsável por diminuir a recalcitrância do BC excedente do processo 1G. Além disso, é considerada durante o processo a geração de etanol 2G a partir da fração sólida enriquecida em celulose juntamente com a energia recuperada pela DA-2S do HH gerado pela AH.

Figura 7.7: Fluxograma do processamento do BC em conceito de biorrefinaria destacando o potencial energético envolvido

Para estimar a quantidade de etanol 2G produzido a partir da fração sólida gerada pela condição DC4 foi considerada uma taxa de geração da fração sólida de 0,705 kg FS.kg BC- 1

base secat, assumindo uma perda de massa de 29,5% após a AH, conforme pode ser visto na Tabela 6.4. Além disso, assumiu-se um rendimento (YHE) de hidrólise enzimática (HE) de 62,18 % e uma geração de 0,42 g etanol.g glicose-1 _{durante a fermentação (Rabelo et al.,} 2011). O YHE da HE foi medido experimentalmente a partir da fração sólida gerada após a AH na condição DC4, conforme descrito na seção 7.3.4.

O baixo valor de rendimento da HE para fração sólida gerada pela AH na condição DC4 (182,9°C por 40,71 min) pode estar relacionado com a precipitação de fragmentos de lignina de elevada massa molar sobre a fibra. Relatos da literatura apontam que os valores temperaturas mais elevados geralmente empregados em pré-tratamentos hidrotérmicos (170 a 180°C) do BC estão próximos da temperatura de transição vítrea (Saenger) da lignina e da

138 lignina quimicamente modificada (Ko et al., 2015). Nessas regiões de temperatura, a lignina e seus possíveis fragmentos sofrem alterações na viscosidade, o que permite sua migração da lamela média e da parede celular para fora da célula, mais especificamente sobre a superfície das fibras. Uma alternativa para melhorar a produção de etanol celulósico a partir da fração sólida residual ao pré-tratamento na condição empregada é a utilização de um pré-tratamento específico para remoção total dos fragmentos de lignina presentes na superfície da fibra.

A Figura 7.6 mostra que a quantidade de energia livre recuperada a partir do HH DC4 é suficiente para destilar aproximadamente 0,53 L de etanol anidro por kg de BC, considerando que a energia gasta nesta operação é de 5.9 MJ.L-1 etanol anidro (Pfeffer et al., 2007). Como durante o processo a produção de etanol a partir da fração sólida residual foi de 0,152 L de etanol por kg de BC, é possível dizer que a energia liberada pela digestão anaeróbia em dois estágios do HH pode ser utilizada para suprir toda demanda energética envolvida na etapa de destilação do etanol 2G. Outra alternativa para a DA-2S é considerar somente a energia gerada pela combustão do metano e estimar os lucros decorrentes da venda do H2 produzido na etapa acidogênica para uso como matéria prima na indústria química. Tal ação pode ser mais viável e não influenciaria a produção de energia a partir do biogás, uma vez que para todas as condições estudadas a quantidade de energia decorrente da combustão do H2 foi sempre inferior a 5% da energia total gerada durante a combustão do CH4 e H2.

7.4.4 Conclusão

Este capítulo demonstra o potencial de produção de H2 e CH4 usando a digestão anaeróbia em dois estágios (DA-2S) para melhorar a recuperação energética a partir do HH gerado pela AH do BC. Observou-se que durante o processo a etapa acidogênica atuou como etapa biodetoxificante, aumentando a produção de CH4 na fase metanogênica. A utilização da DA-2S permitiu a aplicação de condições de pré- tratamento por AH mais severas (182,9°C, 40.7 min e RSL = 0.253 gBCbase seca.mL-1), garantindo uma boa recuperação energética a partir do HH (3.15 MJ.kgBC-1base seca), contribuindo sustentavelmente para integração do processo produtivo de etanol 1G e 2G.

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