CARVÃO VEGETAL, BIOGÁS E ETANOL

CARVÃO VEGETAL, BIOGÁS 

E ETANOL

CARVÃO VEGETAL

Um pouco de história

Quando queimamos qualquer matéria orgânica, animal ou vegetal com um suprimento limitado de ar (oxigênio), como acontece dentro de uma pilha de madeira em uma fogueira, você produz o carvão.

O carvão é essencialmente carbono misturado com algumas cinzas minerais. O fato de o carvão queimar melhor do que a madeira provavelmente foi notado logo depois que o homem aprendeu a controlar o fogo, há mais de um milhão e meio de anos. 

O primeiro uso do carvão para outros fins que não o fornecimento de calor foi por volta de 30.000 a.C, quando os homens das cavernas o usaram como pigmento para desenhar nas paredes das cavernas.

Então, por volta de 4.000 a.C, ocorreu uma descoberta fundamental, provavelmente por acidente, quando um pedaço de minério das rochas usadas para escorar a fogueira e após esta fogueira ser extinta descobriu-se que de um determinado tipo de rocha escorreu metal que solidificou-se quando o fogo apagou e as brasas esfriaram. 

Quando os minérios naturais de cobre, óxidos de zinco e estanho são aquecidos com carvão, o carbono remove o oxigênio, deixando o metal puro para trás. 

A liga de cobre com estanho forma bronze. A Idade do Bronze foi seguida pela Idade do Ferro, caracterizada pela fundição do ferro a partir do óxido de ferro com carvão vegetal. 

Essa mesma tecnologia ainda é usada hoje. Mas não foi apenas através da fundição de metais que o carvão teve um impacto na história.

Por volta de 1500 aC, papiros egípcios registraram o uso de carvão para eliminar odores desagradáveis ​​de feridas, sendo a primeira menção a uma aplicação médica do carvão. Por volta de 400 a.C, os fenícios armazenavam água em barris carbonizados em navios mercantes para melhorar seu sabor. Parece que eles encontraram uma das propriedades mais importantes do carvão, a capacidade de ligar substâncias à sua superfície, um fenômeno conhecido como "adsorção". Essa aplicação ficou mais ou menos adormecida até o final do século XVII, quando os europeus desenvolveram o gosto pelo açúcar. O açúcar bruto da cana-de-açúcar ou da beterraba é contaminado por impurezas coloridas que podem ser removidas passando o extrato de açúcar por camadas de carvão.

Em algum momento do século IX, um alquimista chinês descobriu que misturar carvão com salitre (KN, nitrato de potássio) e enxofre resultava em uma mistura que entrava em combustão prontamente (explosivamente). A “pólvora” acabaria sendo usada para criar explosivos que davam acesso ao carvão e aos minerais, tornando possíveis grandes realizações de engenharia. É claro que a pólvora também tornou possível a destruição mais fácil da vida, lançando uma sombra escura sobre o carvão. O rápido crescimento da indústria de refino de açúcar levou à busca por carvão com propriedades de adsorção aprimoradas e resultou no desenvolvimento de carvão “ativado”, também conhecido como “carbono ativado”. Nesse processo, a matéria carbonosa, como madeira, carvão ou cascas de nozes, é primeiro aquecida na ausência de ar, seguida pela exposição ao dióxido de carbono, oxigênio ou vapor. Isso tem o efeito de aumentar a área de superfície e estabelecer uma rede de poros submicroscópicos onde ocorre a adsorção. Posteriormente, foi determinado que a impregnação com produtos químicos como cloreto de zinco ou ácido fosfórico antes do aquecimento melhorava as propriedades de adsorção. Hoje, uma variedade de produtos de carvão ativado estão disponíveis para uso em várias aplicações.

Principais rotas de aproveitamento energético da biomoassa

Carvão vegetal

A biomassa é uma fonte de energia renovável, formada pela matéria orgânica vegetal através do processo de fotossíntese na presença de luz solar. 

Toda biomassa provem da energia solar via fotossíntese.

O processo de fotossíntese sequestra carbono da atmosfera e estoca na biomassa o que impede o acúmulo desse gás (dióxido de carbono) na atmosfera.

É considerada uma forma de estocagem de energia na forma de ligações moleculares covalentes, orgânicas, ou seja, na forma de energia química que pode ser liberada por processos bioquímicos e termoquímicos. É considerado biomassa toda a matéria e resíduos oriundo de plantas e animais que tem carbono, hidrogênio e oxigênio como composição primária.

Diferentes combustíveis obtidos da biomassa

Monolignóis 

Representação da estrutura da lignina, com destaque para as principais unidades fenilpropânicas. (Oliveira, 2016).

Estrutura da Lignina, Celulose e Hemicelulose (Lee, 1997)

Principais tipos de ligações intersubunidades da estrutura da lignina.

No desenvolvimento do vegetal, a lignina é agrupada como último componente da parede celular e tem as funções de transporte de água, nutrientes e metabólitos, podendo interferir como uma barreira no processo de conversão de biomassa em alguns materiais lignocelulósicos (MARABEZI, 2009). Quanto maior a proporção de lignina, maior a resistência à degradação química e enzimática, por esse motivo, é considerada o componente mais recalcitrante da parede da célula da planta. Na fermentação, a presença da lignina pode apresentar desvantagens, pois torna a biomassa lignocelulósica resistente a degradação química e biológica, consequentemente dificultando o acesso a outros componentes da planta (TAHERZADEH & KARIMI, 2008, QUEIROZ SILVA, 2019).  

A lignina não é muito aproveitada em processos de conversão da celulose porque bloqueia o acesso à celulose, no entanto, pode ser utilizada na produção de aditivos de cimento, antioxidantes, nano tubos de carbono, resinas, aditivos de combustíveis, lubrificantes, emulsificantes, floculantes, dispersantes, tintas, corantes e graxas (GUERRIERO et al., 2016).

São considerados biomassa todas as matérias e resíduos oriundos de plantas e animais que e que tem carbono, hidrogênio e oxigênio como composição primária.

Materiais lignocelulósicos representam a maior e mais barata fonte de matéria orgânica da biosfera. Sua constituição rica em carboidratos permite que subprodutos das indústrias florestais e agroindustriais sejam fontes de açúcares fermentescíveis (fermentáveis), matéria prima em processos biológicos que visam a produção de substâncias com alto valor comercial agregado como, por exemplo, xilitol, etanol, hidroximetilfurfural entre outros.

Segundo a Agência Embrapa de Informação Tecnológica, o carvão vegetal é um resíduo sólido de coloração preta, obtido pela carbonização de madeira ou lenha, que consiste na queima ou aquecimento da madeira em uma atmosfera com pouco ar. 

Devido à baixa quantidade de oxigênio, não ocorre a queima total da matéria-prima.

Produtos da pirólise da madeira

A qualidade da madeira de origem, o equipamento onde ocorre a queima e as condições operacionais são características que determinam a qualidade do carvão vegetal.

Para que o carvão tenha uma boa qualidade é necessário que a madeira tenha: 

1) 50,5% de carbono; 

2) 6,2% de hidrogênio; 

3) 42,2% de oxigênio e 

4) 0,4% de cinzas e para se obter um ótimo carvão, 

Carbonizado a 500ºC é necessário que sua composição química seja: 

1) 84,5% de carbono; 

2) 2,5% de hidrogênio; 

3) 4,3% de oxigênio; 

4) 7,5% umidade (água) e 

5) 1,2% de cinzas.

O carvão vegetal pode ser obtido por dois métodos: fornos e retortas. 

Forno

No forno, a energia fornecida ao processo de conversão e nas retortas é proveniente de parte da madeira que é queimada. 

Retortas

Nas retortas é preciso destilar a madeira, pois no resultado final encontram-se, também, compostos voláteis e não voláteis, como ácido acético, ácido piro lenhoso, acetona, alcatrão, alcatrão insolúvel, compostos fenólicos, como fenol,  xilenos,  entre outros. Estes compostos são valiosos economicamente e podem ser ecologicamente empregados para diversos fins.

Da quebra dos diferentes constituintes da madeira obtemos:

 

• Quebra da Lignina 

Compostos fenólicos (ex.: fenol, o-cresol, m-cresol, p-cresol, guaiacol, 4-metilgauiacol, catecol, 4-metilcatecol), hidrocarbonetos (metano, etano, etileno, propano, propileno, n-butano e isobuteno), CO, CO2, H2S e metil mercaptana;

• Quebra da Celulose

Compostos furânicos e aldeídos;

• Quebra da Hemicelulose

Acetaldeído, metanol, ácido acético, ácido propiônico, furfural, acetona, CO, CO2, entre outros.

Celulose e hemicelulose ( Oliveira, 2016)

O Brasil é o maior produtor mundial de carvão vegetal, tendo a madeira dos eucaliptos como sua principal matéria-prima. No Balanço Energético Nacional publicado em 2009 pelo Ministério de Minas e Energia do Brasil, o carvão vegetal correspondeu a 2,75% do consumo de todos os energéticos no País, quando expressos em toneladas equivalentes de petróleo. A produção anual brasileira desse importante bioenergético está entre 8 a 11 milhões de toneladas, o que corresponde a volumes de 32 a 43 milhões de metros cúbicos. Essa variabilidade é muito função das instabilidades da economia, que afetam diretamente o consumo do aço e do ferro fundido, principais clientes do carvão vegetal brasileiro. A densidade a granel do carvão varia entre 0,22 a 0,30 t/m³, dependendo principalmente da densidade da madeira utilizada em sua produção, da presença ou não de casca nas toras e do estado tecnológico do processo de geração do carvão. (atividaderural)

O valor de produção da silvicultura

O valor de produção da silvicultura obtida de florestas plantadas, subiu 11,1% e atingiu R$16,3 bilhões em 2018, influenciado principalmente pelo carvão vegetal, que cresceu 50,5%. 

Essa alta foi puxada pelo aumento na demanda do produto pelo setor siderúrgico. O valor do carvão chegou a R$ 4,1 bilhões e a produção aumentou 18,9% de 2017 para 2018, segundo a Produção da Extração Vegetal e da Silvicultura (Pevs), divulgada nesta quinta-feira (19) pelo IBGE. 

Minas Gerais concentrou 84% do carvão vegetal proveniente de florestas plantadas e, com a maior demanda, o estado teve aumento de 45,7% no valor de produção. Segundo o supervisor da pesquisa, Winicius Wagner, o desempenho das indústrias de siderurgia foi determinante para o aumento na produção de carvão vegetal na silvicultura. A indústria siderúrgica, hoje, é o maior mercado consumidor de carvão vegetal. Como, em 2017 e 2018, houve melhor desempenho nas siderúrgicas, consequentemente houve aumento de demanda do carvão vegetal. (IBGE)

Produção da Extração vegetal e da silvicultura em 2017-2018

O aumento da demanda do carvão vegetal, por sua vez, gerou aumento do preço do carvão no mercado e tornou sua produção mais atrativa. O carvão vegetal ocupa o terceiro lugar na participação no valor de produção da silvicultura, com 24,9%. Em primeiro lugar, a madeira para papel e celulose, com participação de 31,3%, gerou um valor de R$ 5,1 bilhões em 2018.

O valor de produção da silvicultura vem ampliando gradativamente sua participação na produção florestal brasileira, chegando a 79,3% em 2018. Desde 2000, o valor de produção da silvicultura vem superando os da extração vegetal.

Segundo pesquisa do IBGE, existe uma tendência de substituição da madeira do extrativismo pela da silvicultura: O próprio mercado consumidor exerce uma pressão para que se usem recursos renováveis de florestas plantadas na obtenção dos recursos madeireiros. Isso tem se mostrado consistente ao longo dos anos.

(Entretanto, no  governo atual essa tendencia não é encorajada nem premiada, veja aqui, aqui e aqui.)

Produção da Extração vegetal e da silvicultura em 2019

A produção mundial desse importante derivado florestal está na ordem de 40 a 45 milhões de toneladas ao ano. 

Isso significa que o Brasil detém cerca de 20 a 25% dessa produção mundial. Essa liderança incontestável do Brasil se deve ao fato do carvão vegetal ser aqui utilizado principalmente para fins siderúrgicos e metalúrgicos (produções de ferro gusa, aço, ligas metálicas de FeSi, FeCr; FeMo, FeMn, etc.). 

O Brasil carece de produção própria de coque siderúrgico (carvão mineral) de boa qualidade (baixos teores de cinzas e altos teores de carbono fixo). Isso obrigou a crescente indústria siderúrgica/metalúrgica brasileira buscar outras alternativas para substituição do coque mineral. 

A opção pelo carvão vegetal foi absolutamente um sucesso frente às vantagens que ele apresenta em termos qualitativos e econômicos.

O carvão vegetal é proveniente da queima parcial da madeira. 

No alvorecer da humanidade, o homem utilizava pedaços de madeira em chamas para iluminar as cavernas ou aquecer-se. Possivelmente não tardou a perceber que, ao utilizar a madeira queimada, de aspecto preto e friável, esta não produzia chama e nem tanta fumaça, gerando calor de forma mais controlável que aquele produzido pela queima direta da madeira (JUVILLAR, 1980), marcando a descoberta do carvão vegetal e seu uso como combustível. (SANTOS & HATAKEYAMA, 2012).

O fogo era utilizado para cocção de alimentos, como fonte de luz e de calor e evolutivamente para tratamento de materiais que serviriam para confecção de armas, ferramentas e utensílios, conferindo à lenha a qualificação de sistema energético mais antigo da humanidade.

Ao longo da evolução do homem, a utilização do carvão vegetal foi se tornando mais intensa. Substituído por combustíveis fósseis em alguns casos, em muitos lares de países subdesenvolvidos (o carvão vegetal) ainda é um combustível imprescindível, seja por motivos econômicos ou financeiros (GUARDABASSI, 2006, SANTOS & HATAKEYAMA, 2012).

O uso energético da biomassa vem sendo valorizado como forma alternativa ao uso de combustíveis fósseis, principalmente por ser uma fonte renovável.

Na conversão energética da biomassa (gramíneas, bagaço de cana, casca de arroz, casca de coco, madeira, entre outras), faz-se uso de processos termoquímicos. A biomassa é submetida à ação do calor até transformá-la em compostos mais simples (PINHEIRO et al., 2006).

A madeira é composta basicamente de carbono, oxigênio, água, hidrogênio, nitrogênio e sais minerais (OLIVEIRA et al., 1980), constituindo-se num dos componentes da biomassa de maior uso energético por possuir características atraentes tais como produtividade, qualidade e massa específica adequada, além do seu baixo custo (PINHEIRO et al., 2006, SANTOS & HATAKEYAMA, 2012).

Segundo Pinheiro et al. (2006), a carbonização é um processo em que a madeira é submetida a aquecimento entre 450 e 550 °C em ambiente fechado, com pequena quantidade ou exclusão total de ar e durante o qual são liberados gases, vapores de água e líquidos orgânicos, permanecendo como resíduos, principalmente, o alcatrão e o carvão vegetal. (SANTOS & HATAKEYAMA, 2012).

Adendo

Produtos da destilação da madeira e seu destino

Potenciais aplicações da lignina

(Oliveira, 2016)

As unidades monoméricas da lignina apresentam uma série de possíveis sítios reativos, tanto na cadeia lateral das unidades fenilpropânicas, quanto nos próprios anéis aromáticos (Figura 8). Estes sítios podem sofrer uma série de diferentes reações dependendo das condições experimentais nos processos de extração de lignina (deslignificação), despolimerização ou modificações químicas, abrindo oportunidades para sua utilização em síntese orgânica e química fina (NOGUEIRA, 2016).

Principais sítios reativos em um monômero da lignina 

(Dutta, Wu, Saha, 2014, Oliveira, 2016).

GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA

A gaseificação é um processo termoquímico, que envolve a quebra das moléculas do combustível utilizado, produzindo gás combustível, voláteis, carvão e cinzas. O processo ocorre em condições sub-estequiométricas, com suprimento de oxigênio controlado. Quando se emprega ar, obtém-se um gás com baixo poder calorífico (3,92 a 11,78 MJ/Nm3). Já a gaseificação com vapor d'água e/ou oxigênio resulta em gás com médio (11,78 a 27,48 MJ/Nm3) e alto poder calorífico (27,48 a 39,26 MJ/Nm3), de acordo com a relação oxigênio/vapor empregada. O processo é altamente eficiente, alcançando valores de eficiência a frio de 60 a 70% e conversão de carbono de 98 a 99%.(QUITETE E SOUZA, 2014).

As reações que ocorrem na gaseificação podem ser separadas em zonas, como a secagem, pirólise, combustão e redução:

• Secagem (até 150 ºC) 

Processo endotérmico, responsável pela evaporação da umidade da matéria-prima;

• Pirólise (T< 700 ºC)

Processo endotérmico que produz H2, CO, CO2, H2O e CH4, alcatrão e um resíduo sólido de carbono (char);

• Combustão (700 <T< 2000 ºC) 

Processo exotérmico, onde o carbono da matéria-prima reage com oxigênio;

• Redução (800 <T< 1100 ºC) 

Reação endotérmica para obtenção de gases combustíveis.

Na zona de secagem, ocorre a eliminação da umidade da biomassa na forma de vapor. A zona de pirólise fica situada acima das zonas de combustão (leito fixo do tipo concorrente) e redução (contracorrente) e as reações começam a ocorrer em temperaturas em torno de 200 ºC, quando se inicia a decomposição da estrutura da biomassa por ação térmica (Figura 1).(QUITETE E SOUZA, 2014).

Caracterização e definição do alcatrão

O alcatrão é definido como um grupo de hidrocarbonetos com peso molecular superior ao do benzeno. Uma das classificações descritas na literatura propõe 5 classes de alcatrão, que são: 

classe 1: compostos com elevada aromaticidade; 

classe 2: compostos heterocíclicos com elevada solubilidade em água (ex.: fenol, piridina, cresol); 

classe 3: compostos aromáticos leves (ex: tolueno, etilbenzeno); 

classe 4: hidrocarbonetos poliaromáticos com 2 a 3 anéis policondensados (ex.: indeno, naftaleno); 

classe 5: hidrocarbonetos poliaromáticos com 4 a 7 anéis policondensados (ex.: fluoranteno, pireno). 

Ressalta-se que essa classificação é a mais usada na literatura. (QUITETE E SOUZA, 2014).

Em outra classificação proposta definiram-se quatro classes de alcatrão:

1. alcatrão primário 

Produtos derivados de celulose, hemicelulose e lignina;

2. alcatrão secundário 

Compostos fenólicos, derivados da conversão do alcatrão primário;

3. alcatrão alquil terciário 

Aromáticos metílicos (estireno, xileno, etc); e

4. terciários condensados

Poliaromáticos sem substituintes (exemplos: naftaleno, antraceno, fenantreno e pireno).(QUITETE E SOUZA, 2014).

Outra classificação propõe a divisão em 6 classes, sendo: 

(1) benzeno; 

(2) aromáticos monocíclicos com exceção do benzeno e fenóis; 

(3) naftaleno; 

(4) aromáticos bicíclicos com exceção do naftaleno; 

(5) aromáticos com mais de três ciclos e poliaromáticos; 

(6) compostos fenólicos.(QUITETE E SOUZA, 2014).

Sabe-se que a gaseificação segue etapas bem definidas, como: pré-aquecimento e secagem, pirólise, gaseificação do "char" e oxidação. 

Na etapa de pirólise da biomassa, ocorre a evaporação da água (T<220 ºC), a decomposição da hemicelulose, celulose e lignina ocorre nas seguintes faixas de temperatura: 220-315 ºC, 315-400 ºC, e acima de 400 ºC. 

Os produtos típicos da decomposição são oxigenados, como podem ser exemplificados abaixo:(QUITETE E SOUZA, 2014)

• Lignina 

Compostos fenólicos (ex.: fenol, o-cresol, m-cresol, p-cresol, guaiacol, 4-metilgauiacol, catecol, 4-metilcatecol), hidrocarbonetos (metano, etano, etileno, propano, propileno, n-butano e isobuteno), CO, CO2, H2S e metil mercaptana;

• Celulose 

Compostos furânicos e aldeídos;

• Hemicelulose 

Acetaldeído, metanol, ácido acético, ácido propiônico, furfural, acetona, CO, CO2, entre outros.

O alcatrão é constituído por compostos aromáticos bastante refratários ao craqueamento térmico, dificultando a sua remoção, tanto através de processos catalíticos quanto físicos, podendo causar sérios problemas operacionais, tais como depósito nos equipamentos devido à condensação e desativação de catalisadores. De uma maneira geral, os compostos mais simples, pertencentes à classe primária (produtos derivados da celulose, hemicelulose e lignina), são facilmente convertidos na faixa de 500-700ºC. Os fenóis e cresóis na faixa de 750-850ºC e os terciários, como fenantreno, naftaleno e antraceno, na faixa de 850-1100ºC. O benzeno, que é um composto extremamente estável, só é convertido a 1000-1300ºC, com longo tempo de residência. 

Quanto maior a temperatura do processo de gaseificação, menor a concentração de alcatrão e mais complexos são os compostos, pertencentes às classes 4 e 5, devido às reações de dimerização (700-850 ºC) ou polimerização (850-900 ºC).(QUITETE E SOUZA, 2014)

Além da temperatura de gaseificação, outros fatores também influenciam a natureza do alcatrão formado, como quantidade e tipo de agente oxidante empregado e tipo de reator. Os gaseificadores de leito fixo contracorrente produzem compostos predominantemente da classe primária (ex.: fenóis, aldeídos e furfurais), porém em grande quantidade (20-100 g/Nm3), enquanto o concorrente produz menor quantidade (0,1-1,2 g/Nm3) e pertencente à classe terciária de alcatrão (ex.: naftaleno, pireno, fenantreno).(QUITETE E SOUZA, 2014)

Em gaseificadores de leito fluidizado circulante, o alcatrão apresenta composição com predominância de compostos das classes secundária e terciária,16 com concentração típica de 10 g/Nm3.13,14 Os principais compostos identificáveis no alcatrão são os seguintes: ciclopentadieno, benzeno, tolueno, fenol, cresóis, naftaleno, metilnaftaleno, acenaftaleno, fenantreno, pireno, fluoranteno, criseno, benzopireno e antraceno.(QUITETE E SOUZA, 2014)

Pode-se considerar que tanto a concentração total de alcatrão quanto a sua natureza química é aproximada, já que existem algumas fontes de erro, como: 1) erro em balanço de massa, já que nem sempre se contabiliza o alcatrão que fica na forma de aerossol, nas cinzas do processo, depositado nas linhas e nos equipamentos; 2) erro de detecção dos compostos mais pesados por cromatografia gasosa; 3) outras fontes: tipo de amostragem, condições e tipo de solvente empregado na coleta (metanol, acetona, iso-propanol, etc); e 4) método de análise do alcatrão coletado.(QUITETE E SOUZA, 2014)

A lignina representa de 17% a 30% da madeira e é dividida em dois grupos principais de acordo com a facilidade com que sofre hidrólise (quebra pela água).

• Lignina não core: compostos fenólicos de baixo peso molecular.

• Lignina core: polímeros (macromoléculas) que formam a parede celular altamente condensados e muito resistentes à hidrólise. As unidades formadoras desses polímeros, são a p-hidroxifenila, guaiacila e siringila, que se apresentam em proporções diferentes, de acordo com a origem da madeira.

Principais unidades aromáticas presentes na molécula de lignina

(Fonte: Santos, 2001)

A lignina é o segundo polímero natural mais abundante do planeta e sua estrutura polifenólica lhe fornece potencial de ser utilizada como fonte promissora e economicamente viável de compostos aromáticos em substituição ao petróleo, principal fonte desses compostos na atualidade. A busca por fontes renováveis de matérias primas aromáticas tem sido uma das vertentes principais dentro da Química verde.

Lignina

Acredita-se que a lignina atue nos tecidos vegetais como um aglutinante plástico que segura as fibras de celulose. É utilizada entre outras coisas como estabilizante de asfalto e aglutinante de cerâmica.

No processo de fabricação do papel, procura-se eliminar a lignina da celulose, por exemplo, dissolvendo-se a madeira em bissulfito de cálcio, Ca(HSO3)2 aquoso, ou em outras soluções alcalinas. A madeira contém ainda resinas, água e matéria inorgânica, que pode ser recuperada na cinza após a sua queima, especialmente óxido de silício, óxido de alumínio, óxido de cálcio, óxido de magnésio, óxido de potássio, óxido de sódio, fósforo e enxofre.

Os compostos fenólicos são aqueles que possuem o grupo OH (hidroxila) diretamente ligado a um anel aromático.

A lignina constitui parte integrante da parede celular secundária da biomassa

lignocelulósica, conferindo suporte estrutural, impermeabilização e resistência contra ataques microbiológicos e estresse oxidativo. Seu teor varia entre 15 e 40% em massa seca dependendo do tipo de biomassa. (BEHLING; VALANGE; CHATEL, 2016; PÉREZ et al.,2002). Quimicamente a lignina pode ser classificada como um polifenol que exibe uma estrutura amorfa tridimensional complexa e ramificada, constituída por unidades fenilpropânicas, que contêm grupos hidroxila e podem conter grupos metoxila como substituintes no grupo fenil.

A estrutura da lignina é resultante da polimerização enzimática desidrogenativa

de três álcoois aromáticos (monolignóis): álcool sinapílico, álcool coniferílico e álcool pcumarilico. As subestruturas fenólicas que se originam a partir desses monolignóis são chamadas p-hidroxifenila (H), guaiacila (G) e siringila (S) (Figura 5) (BEHLING; VALANGE; CHATEL, 2016; LAURICHESSE; AVÉROUS, 2014). 

A relação entre essas unidades monoméricas na constituição da lignina varia de

acordo com o tipo de planta e as espécies. As ligninas provenientes de madeiras moles (gimnospermas) são constituídas basicamente por unidades G, com traços de unidades H, ao passo que as ligninas advindas de madeiras duras (angiospermas) são constituídas por unidades G e S, com vestígios de unidades H. Ligninas provenientes de gramíneas (monocotiledôneas) possuem quantidades aproximadamente iguais de unidade G e S e quantidades maiores de unidades H do que as dicotiledôneas. Há, ainda, a presença de grupamentos funcionais na estrutura da lignina, como metoxila, hidroxila (fenólica e alifática) e carbonila que variam de acordo com o tipo de biomassa e a maneira como as unidades fenilpropânicas se encontram ligadas, o que altera a reatividade desse biopolímero em várias reações químicas (AZADI et al., 2013).

Cada tipo de lignina pode ser aplicada á um propósito industrial particular.  Ligninas constituídas principalmente por unidades S e G, por exemplo, guardam certa similaridade estrutural com resinas do tipo fenol-formaldeído e têm sido investigadas no sentido da produção de novos matérias poliméricos (TEJADO et al., 2007). Ligninas com maiores quantidades de unidades H são potenciais fontes de compostos derivados do ácido phidroxibenzóico, os quais geralmente apresentam expressiva atividade antimicrobiana.

Os monômeros da lignina estão ligados entre si por um conjunto de ligações C-O

e ligações C-C, que incluem ligações do tipo β-O-4, 5-β, β-β, 4-S-5, 5-5 ou β-1 para formar uma complexa matriz (Figura 6). A ligação mais comum entre os monômeros é a ligação éter β-O-4, que representa, aproximadamente, 50% (para ligninas de madeiras macias) e 65% (para ligninas de madeiras duras) do total de todas as ligações inter-subunidades que formam a macromolécula. É essencial entender os detalhes das ligações presentes na estrutura macromolecular da lignina a fim de conceber estratégias para quebrar seletivamente essas ligações, obtendo-se dessa forma os produtos de interesse. (BEHLING; VALANGE; CHATEL, 2016; DUTTA; WU; SAHA, 2014, Oliveira, 2016).

https://youtu.be/gpKelmeWEc0

Eucalyptus

O eucalipto é uma árvore nativa da Austrália e possui inúmeras espécies adaptadas a diferentes condições de solo e clima. Grande parte dessas são de grandes alturas, atingindo cerca de 30 a 50 metros, outras são arbustivas (MORA; GARCIA, 2000, p. 21). No início do século XIX começou a propagação de sementes de eucalipto pelo mundo. O Chile, em 1823, foi o primeiro país da América do Sul a introduzir o gênero Eucalyptus, seguido da Argentina e do Uruguai.

Eucalyptus sp, espécie da madeira que é a matéria-prima mais utilizada na produção de carvão vegetal no Brasil.

Em 1850, Portugal, Espanha e Índia começaram a testar o eucalipto. As espécies mais utilizadas eram o E. grandis, E. camaldulensis, E. tereticornis, E. globulus, E. uruphylla, E. viminalis, E. saligna e E. citriodora (MORA; GARCIA, 2000, p. 25). 

No Brasil, a ampliação das estradas de ferro, no começo do século XX, levou ao aumento da demanda por madeira. A escassez das florestas nativas próximas às ferrovias fez com que a Companhia Paulista de Estradas de Ferro buscasse novas alternativas para atender a requisição de lenha, utilizada como energia nas locomotivas (QUENÓ, 2009, BERSCH, 2016).

Com isso, Navarro de Andrade, considerado o “pai da eucaliptocultura” no Brasil, realizou trabalhos experimentais no Horto de Jundiaí-SP, entre 1904 a 1909, comparando espécies nativas com o eucalipto, na qual este se destacou. Em 1909, a Companhia Paulista de Estradas de Ferro iniciou plantios de eucalipto em escala comercial (MORA; GARCIA, 2000, p. 35). Segundo a Indústria Brasileira de Árvores (2015, p. 28), em 2014 a área de florestas plantadas no Brasil era de 7,74 milhões de hectares (0,9% do território brasileiro), destes, 5,56 milhões de hectares eram plantios de eucalipto, representando 71,9% do total. Os estados com maior produção eram Minas Gerais (25,2%), São Paulo (17,6%) e Mato Grosso do Sul (14,5%).

A Indústria Brasileira de Árvores (2015, p. 31) destaca a evolução da produtividade do eucalipto no Brasil, tendo um aumento de 5,7% ao ano entre os anos de 1970 a 2008, em contraste com os 2,6% da América Latina, 0,9% dos países desenvolvidos e 1,9% nos países em desenvolvimento. Para Angeli (2005), grande parte do consumo de eucalipto no Brasil não é quantificado. Trata-se do consumo doméstico da lenha que resulta em parcela significativa do consumo total. Para a autora, as espécies de eucalipto indicadas para produção de lenha e carvão vegetal são E. brassiana, E. camaldulensis, E. citriodora, E. cloeziana, E. crebra, E. deglupta, E. exserta, E. globulus, E. grandis, E. maculata, E paniculata, E. pellita, E. pilularis, E. saligna, E. tereticornis e E. urophylla.

Carbonização

Segundo Rezende (2006), o processo de carbonização do Eucalyptus ocorre em quatro fases: 

Fase I 

Secagem: ocorre até 110 °C, quando apenas a umidade é liberada; 

Fase II 

Torrefação: ocorre entre 110 e 250 °C, sendo que, na temperatura de 180 °C, tem início a liberação da água de constituição pela decomposição da celulose e hemicelulose. Pouco peso é perdido até 250 °C. Forma-se o tiço ou madeira torrada;

 

Fase III 

Carbonização: ocorre entre 250 e 350 °C e, com a intensificação da decomposição da celulose e hemicelulose, ocorre expressiva perda de peso, formando-se gás, óleo e água. Ao atingir a temperatura de 350 °C, o carvão possui 75% de carbono fixo e se considera que a carbonização está praticamente pronta; 

Fase IV

Fixação: dos 350 °C em diante, ocorre redução gradual na liberação de elementos voláteis, principalmente gases combustíveis, continuando a fixação do carbono. A carbonização é, então, a destilação da madeira que a transforma numa fração rica em carbono (o carvão vegetal) e noutra fração composta por vapores e gases (alcatrão, extrato pirolenhosos e gases não condensáveis), de acordo com Sampaio et al. (2001). Essas frações são identificadas como os produtos oriundos da carbonização, conforme mostra a Tabela a seguir. (SANTOS & HATAKEYAMA, 2012).

O ácido pirolenhoso também conhecido como "Extrato Pirolenhoso" (wood vinengar, acetum lignorum) é um produto milenar, obtido através da condensação da fumaça proveniente da carbonização da madeira, durante a produção de carvão vegetal.

Como já vimos, o grande usuário para o carvão vegetal no Brasil é o setor industrial (cerca de 85% da produção). Só o setor siderúrgico/metalúrgico utiliza 75 a 80%, sendo que o setor de ferro gusa consome 8 a 9 vezes mais do que o setor de aço e ligas metálicas, incluindo-se nesses dados as produções integradas de gusa e aço). Também se utiliza carvão vegetal em outros tipos de fornos (produção de cimento, cal, gesso, refratários, carbeto de silício, etc.) e em caldeiras de força para geração de energia (briquetes de carvão ou carvão pulverizado). Interessante tem sido a crescente utilização de carvão briquetado ou pelotizado, usando como matéria prima o pó de carvão (moinha), até há pouco tempo considerado um resíduo problemático da produção de carvão vegetal. Outros usuários menores para o carvão vegetal são os próprios cidadãos (uso doméstico em cocção e aquecimento) e a agricultura (secagem de grãos e folhas, substrato para produção de mudas, etc.)

O desmatamento de florestas nativas naturais que deveriam estar sendo conservadas e protegidas pode ser considerado um problema tão ou mais grave do que a geração de gases de efeito estufa pelo uso de combustíveis fósseis. Até certo ponto, o problema é similar: a madeira de florestas naturais conservadas está seqüestrando e imobilizando carbono. Se as matas naturais forem usadas para carvão vegetal, que depois é queimado, corresponderá também a algo similar ao uso de um energético fóssil. Além de gerarem gás carbônico, esse uso reduz a biodiversidade e impacta a hidrologia e o solo também. 

Quando florestas plantadas de eucaliptos, que tenham sido melhoradas para produção de carvão vegetal, são utilizadas, substituindo o uso inapropriado de madeiras de matas naturais, temos inúmeras vantagens, a saber: 

I) são recursos naturais renováveis; 

II) evitam o uso de recursos naturais e reduzem as pressões sobre os biomas ameaçados; 

III) aumentam a conservação ambiental, já que para se plantá-las também se conservam muitas áreas de preservação permanente e de reserva legal. Para cada hectare de floresta plantada preserva-se ou reabilita-se cerca de 0,6 a 1 hectare de mata nativa. 

IV) oferecem qualidades mais estáveis e com especificações mais atendidas para o processo de carbonização. Imaginem que as madeiras colhidas de matas naturais têm densidade básica média variando entre 0,2 a 0,8 t/m³, o que confere grande variabilidade na qualidade do carvão vegetal resultante (densidade a granel, teor de carbono fixo, teor de cinzas, etc.). 

V) permitem maior controle sobre toda a cadeia produtiva, otimizando-a e tornando-a mais sustentável; 

VI) oferecem melhores qualidades ao trabalhador florestal e ao carvoejador, com condições laborais similares às oferecidas em outros tipos de indústria de conversão.

VII) não apresentam enxofre como o carvão mineral, o que torna nula a eliminação do SO2 na atmosfera.

Escolha a melhor espécie

Produção de lenha e de carvão vegetal

Dentre as espécies de eucalipto introduzidas no Brasil, com potencial para a produção de carvão vegetal, podemos citar:

 

Eucalyptus camaldulensis, 

E. deglupta 

E. globulus 

E. tereticornis 

E. urophylla 

E. paniculata

E. pellita 

E. pilularis 

E. citriodora 

E. maculata 

E. exserta 

E. brassiana 

E. crebra

E. tesselaris 

E. saligna

E. cloeziana  e 

E. grandis 

Além de vários híbridos naturais ou obtidos por meio da polinização controlada entre matrizes selecionadas. As características desejáveis de uma espécie a ser usada para produção de lenha e carvão vegetal são a densidade, o poder calorífico e o teor de lignina, que quanto maiores melhor. De forma simples, pode-se dizer que quanto mais pesada é a madeira, melhor será para lenha e carvão vegetal.(jetiba)

Eucalyptus camaldulensis

E.camaldulensis (istok)

Eucalyptus camaldulensis

(Fonte: mitra-nature)

(WP)

Fruto do E. camaldulensis 

(Fonte: anbg)

Eucalyptus gunii 

(Fonte: southwood)

O gênero Eucalyptus é originário da Austrália, Tasmânia e ilhas da Oceania.

Não há uma data exata da introdução do eucalipto no Brasil. Existem relatos de que os primeiros exemplares foram plantados nas áreas pertencentes ao Jardim Botânico e Museu Nacional do Rio de Janeiro, nos anos de 1825 e 1868; no Município de Amparo, SP, entre 1861 e 1863; e no Rio Grande do Sul, em 1868. Ferreira (1989) afirma, entretanto, que os primeiros plantios ocorreram de fato em 1868, no Rio Grande do Sul, por iniciativa de Joaquim Francisco de Assis Brasil, um dos primeiros brasileiros a demonstrar interesse pelo gênero.

São mais de 730 espécies reconhecidas botanicamente. Estas espécies têm propriedades físicas e químicas tão diversas que fazem com que os eucaliptos sejam usados para as mais diversas finalidades como, lenha, estacas, moirões, dormentes, carvão vegetal, celulose e papel, chapas de fibras e de partículas, até movelaria, geração de energia, medicamentos, entre outros.

Entre as espécies florestais plantadas com fins produtivos, o cultivo do eucalipto é um dos que tem maior disponibilidade de indicações e orientações técnicas.

O Eucalipto tem grande importância comercial na economia brasileira. Segundo a Indústria Brasileira de Árvores, são 5,5 milhões de hectares plantados com este gênero, com uma produtividade média de 39 m³/ha/ano. A produtividade, contudo, depende de diversos fatores, como o local de plantio, os tratos culturais e os insumos disponibilizados.(embrapa, s/d)

De forma geral, espécies de eucalipto têm sido preferencialmente utilizadas devido ao seu rápido crescimento, capacidade de adaptação às diversas regiões ecológicas e pelo potencial econômico, tendo em vista a utilização diversificada de sua madeira.(embrapa, s/d)

Produção de celulose

Os trabalhos relacionados com a produção de celulose no Brasil vêm destacando, principalmente, as espécies de eucalipto. Dentre estas espécies, pode-se sugerir como potenciais para este tipo de uso: 

Eucalyptus alba 

E. saligna 

E. grandis 

E. urophylla 

E. globulus  e 

E. dunnii 

Além das espécies, hoje tem-se utilizado muito de seus híbridos, que combinam boas características de crescimento com excelentes características industriais, como por exemplo o E. grandis x E. urophylla (chamado vulgarmente de urograndis). Testes, ainda em andamento, buscam o aproveitamento das boas características tecnológicas do E. globulus. Esta espécie é bastante exigente em termos de clima, não se adaptando à grande maioria do Brasil. Neste sentido tem-se buscado a produção de híbridos desta espécie com E. urophylla. No caso da produção de celulose, deve dar preferência por madeira que apresenta densidade variando de 0,40 a 0,58 g/cm3, com alto teor de celulose e baixo teor de lignina, além de apresentar coloração clara, o que facilita o processo de branqueamento da celulose. (jetiba).

Celulose e Hemicelulose

Celulose

A celulose é considerada a fonte de carbono mais abundante disponível na biosfera, seu conteúdo está presente em todas as plantas desde organismos primitivos até árvores mais desenvolvidas (RABELO, 2007). Constitui de 20 a 30% das paredes celulares primárias e 40% a 50% das paredes celulares secundárias, sendo o composto mais abundante do planeta (NASCIMENTO, 2011, Oliveira, 2016).

Celobiose (unidade de repetição da celulose)

Celobiose é um dissacarídeo glicosil-glicose composto por duas moléculas de glicose, cada glicose é unida por ligações β (1 → 4). A celobiose é o dissacarídeo repetitivo da celulose. Esse polissacarídeo estrutural é o principal componente das paredes celulares de plantas. Os vertebrados não possuem a enzima celulase, que é a responsável por hidrolisar as ligações β (1 → 4) da celulose. 

Entretanto, vertebrados herbívoros contém em seu trato digestivo celulases secretadas por microrganismos simbiontes, que assim permitem a digestão de plantas fibrosas. A celobiose é hidrolisada à glicose por 1,4-β-D-glucosidades.

A celulose é o composto orgânico mais abundante na natureza, representando de 40-50 da constituição química de quase todas as plantas, estando presente também em certas espécies de algas, animais marinhos (tunicados). Esse composto localiza-se principalmente na parede secundária das células vegetais e é o principal responsável pelas características estruturais das fibras vegetais. (KLOCK et al., 2005). 

Quimicamente, a celulose é caracterizada como um polímero linear de alto peso molecular, constituído exclusivamente por unidades de glicose, β-D-glucose (D-glicopiranose), que se ligam entre si através ligações glicosídicas β-1,4 e contém três grupos hidroxila livres ligados aos carbonos 2, 3 e 6, os quais são responsáveis pelas interações intermoleculares. (KLOCK et al., 2005).

Nos vegetais, as moléculas de celulose se unem paralelamente por meio de ligações de hidrogênio arranjando-se em fibrilas que se encontram ligadas a hemicelulose e a lignina resultando em um material bastante resistente à tensão, à degradação microbiana e insolúvel a diversos solventes (DING, HIMMEL, 2006). 

Possuem um alto grau de polimerização e uma elevada massa molecular, podendo ser classificada de acordo com seu grau de polimerização e seu índice de cristalinidade. O grau de polimerização corresponde a frequência de ligações glicosídicas disponíveis para a ação das celulases e é definida de acordo com o número médio de monômeros e peso molecular do polímero. 

A cristalinidade está relacionada à reatividade do substrato. Junto com a lignina, essas características formam uma macromolécula altamente resistente a hidrólise, podendo dificultar o uso dessas biomassas lignocelulósicas nas aplicações biotecnológicas (D’ ALMEIDA, 1998 apud ESTEVES, 2011). A celulose vem sendo um resíduo bastante utilizado na produção de etanol de segunda geração e de produtos químicos, entre eles: tensoativos, adesivos, corantes, solventes, produtos farmacêuticos (KUMAR, R.; SINGH , S.; SINGH, O. V., 2008, QUEIROZ SILVA, 2019).

Hemicelulose

Enquanto a celulose contém exclusivamente a D-glucose como unidade fundamental, as polioses são polímeros, em cuja composição podem aparecer diversas unidades de açúcares diferentes, tais como: xilose, arabinose, glucose, galactose, manose, e também, em menores quantidades, unidades de ácido D-glicurônico. (CHEN et al., 2014; KLOCK et al., 2005)

A hemicelulose corresponde a cerca de 15 a 30% da composição da parede celular. Definido como uma classe heterogênea de polissacarídeos de baixa massa molecular composta por pentoses, hexoses e ácidos urônicos (GÍRIO et al., 2010). Tem o grau de polimerização menor que a celulose e devido a seu caráter relativamente amorfo apresentam uma maior susceptibilidade à processos de hidrólise ácida (FENGEL; WEGENER, 1989). A diferença entre a celulose e hemicelulose está em sua composição química. Na celulose, são utilizadas apenas unidades de glicose para formação de polímero. Já na hemicelulose, podem aparecer porções variadas dos seguintes açúcares mostrados na Figura 4. Os quais tem a capacidade de estabilizar a parede celular por meio das pontes de hidrogênio com a celulose e por meio de ligações covalentes com a lignina. Servindo também como mecanismo de retenção de água em sementes (WIMAN et al., 2010). A hemicelulose é considerada um carboidrato abundante, por constituir cerca de Cerca de 30% dos polissacarídeos que constituem a parede celular dos vegetais (RABELO, 2010, QUEIROZ SILVA, 2019).

Trabalho cientifico para discussão

ANÁLISE DAS PROPRIEDADES DA MADEIRA E DO CARVÃO VEGETAL DE HÍBRIDOS DE EUCALIPTO EM TRÊS IDADES

SOARES ET AL., 2015

Um excelente trabalho científico para discutirmos o por quê do poder calorífico do carvão ser maior do que o poder calorífico do carvão. 

Um dos grandes problemas enfrentados pelas indústrias siderúrgicas é a heterogeneidade do carvão vegetal. (SOARES ET AL., 2015)

Variações nas características do carvão vegetal são inerentes às condições do processo de carbonização e às características da madeira utilizada, tais como a espécie, as características químicas e a idade. 

As características da madeira se alteram com a idade, em função de alterações fisiológicas, podendo acarretar alteração na qualidade do carvão vegetal. 

O efeito da idade sobre algumas características da madeira é bastante claro, como no caso do teor de cinza, que diminui com a idade da árvore (KUMAR et al., 2009), e a densidade básica aumenta com a idade da árvore (KUMAR et al., 2010, 2011). (SOARES ET AL., 2015)

O teor de lignina tende a diminuir com a idade da árvore (MORAIS, 2008), pois as espécies mais jovens tendem a apresentar maior proporção de madeira juvenil, que é mais rica em lignina que a madeira madura (TRUGILHO et al., 1996). Entretanto, Silva et al. (2005), estudando Eucalyptus grandis com idades de 10, 14, 20 e 25 anos, observaram aumento no teor de lignina com a idade. Vários autores encontraram correlação positiva entre o teor de extrativos totais e a idade das árvores (MORAIS, 2008) e atribuíram esse comportamento ao processo de cernificação, no qual os extrativos são incorporados ao cerne. 

Ao contrário de Silva et al. (2005), alguns autores obtiveram como resultado o aumento do teor de holocelulose com a idade da árvore (RAYMOND, 2000). 

Lemenih e Bekele (2004) encontraram correlação negativa entre poder calorífico e idade, enquanto Kumar et al. (2010, 2011) constataram que o poder calorífico aumenta em função da idade da árvore. (SOARES ET AL., 2015)

Kumar et al. (2011), estudando madeiras de híbridos de eucalipto de 2 a 6 anos, encontraram correlação positiva para poder calorífico e o teor de materiais voláteis, em função da idade da árvore. Em contrapartida, os teores de cinza e carbono fixo diminuíram com a maturidade. Esses autores consideraram a presença de cinza como fator redutor do poder calorífico.(SOARES ET AL., 2015)

Densidade básica da madeira 

Na Figura 1, nota-se a relação funcional observada entre a densidade básica e a idade da árvore. Valores semelhantes foram encontrados por outros pesquisadores (RIBEIRO E ZANI-FILHO, 1993) ao estudarem a densidade básica da madeira de diferentes espécies de eucalipto, aos 6 anos de idade. Com a maturidade da árvore, observou-se um aumento na densidade básica da madeira. Segundo VITAL (1984), essa tendência é consequência do aumento da espessura da parede celular e da diminuição da largura das células.(SOARES ET AL., 2015)

Tabela 1 (SOARES ET AL., 2015)

Na madeira de eucalipto, observou-se que o efeito da idade não foi significativo para os teores de lignina. Os teores médios de lignina estão próximos aos valores encontrados por outros autores para o gênero Eucalyptus (Brito et al., 1983; Trugilho et al., 1996, 2007).(SOARES ET AL., 2015)

A umidade exerce influência em grande parte das propriedades de resistência da madeira, afeta: 

Trabalhabilidade, 

Poder calorífico, 

Susceptibilidade ao ataque de fungos, 

Dimensões, 

Resistência

A madeira é um material higroscópico. 

Higroscopicidade é a capacidade de absorver água e mantê-la na sua estrutura, dentro da parede celular. 

Se uma madeira verde é colocada em uma estufa a alta temperatura, após um certo tempo, toda água é evaporada (água capilar e de impregnação). 

A madeira perde peso e volume (contrai) e o teor de umidade chega a zero.

Retirando-se a madeira da estufa e colocando-a em contato com o ambiente, ela volta a adquirir água. 

A água é retirada do ambiente, ou seja, do vapor de água que existe no ar. 

A madeira é portanto higroscópica, adquire água do ambiente e, com a aquisição de água aumenta seu peso e seu volume (incha).

A madeira adquire ou perde água dependendo da umidade relativa do ar. O teor de umidade em que a madeira se encontra em equilíbrio com a umidade relativa e a temperatura do ar é chamada de Umidade de Equilíbrio da Madeira.

Aproximadamente para cada 4% de Umidade Relativa a madeira aumenta 1% seu teor de umidade.

Propriedades químicas da madeira: teor de cinza e extrativos 

As relações entre o teor de extrativos e cinza em função da idade da madeira estão apresentados na Figura 2. O aumento no teor de extrativos em função da idade do material lenhoso pode ser justificado, em razão do início do processo de cernificação, no qual ocorre a transformação do alburno em cerne. Esse processo é caracterizado pela morte de células e alterações na constituição química das mesmas. Higuchi (1997) afirma que o aumento no conteúdo de extrativos, especialmente de polifenóis, deve-se à alteração da atividade celular ou fisiológica. Morais (2008) observou a mesma tendência para o teor de extrativos em função da idade da madeira de clones de eucalipto e afirmou, ainda, que o processo de cernificação se intensificou, a partir dos cinco anos, para o material estudado. O teor de cinza diminuiu significativamente com a maturidade da árvore, provavelmente em decorrência da diminuição da atividade fisiológica da árvore com a idade, exigindo, portanto, menor presença de componentes minerais. A mesma tendência foi observada por Morais (2008).

Relação entre o teor de lignina siringila e guaiacila (S/G) 

Na Figura 3, está representada a relação S/G da lignina em função da idade da árvore. Apesar de não haver diferença quantitativa significativa entre os teores de lignina nas diferentes idades, o tipo de lignina presente no material mudou. Observou-se diminuição na relação S/G, o que significa um aumento na quantidade do grupo guaiacil na macromolécula, com o aumento da idade da árvore. A mesma tendência foi observada por Morais (2008). Para madeiras destinadas à produção de carvão vegetal, deve-se procurar por materiais genéticos com menores relações S/G, uma vez que o grupo guaiacil é mais preservado no processo de pirólise. O grupo siringil possui um grupo metoxila a mais do que o guaiacil, tornando-se mais reativo, ou seja, mais facilmente oxidado durante a pirólise.(SOARES ET AL., 2015)

Ainda, a ausência de um grupo metoxila na estrutura da lignina possibilita a formação de ligações C-C com outra unidade guaiacil, promovendo a condensação de anéis aromáticos. O processo de condensação é evidenciado em estudo realizado por Piló-Veloso et al. (1993). A maior eletronegatividade dos átomos de oxigênio ocasiona uma carga parcial negativa ao redor desse átomo, tornando as ligações C-O-C mais reativas e, portanto, menos estáveis que as ligações C-C (Solomons, 1996). Assim, supõe-se que as ligações C-C são mais resistentes à degradação química que as C-O-C, o que dificulta a quebra da molécula de lignina. Pode-se afirmar, portanto, que a lignina formada principalmente por grupo do tipo guaiacil será menos reativa que aquela formada pelo grupo siringil.

Rendimentos gravimétricos da pirólise 

Na Figura 4, são apresentados os valores dos rendimentos gravimétricos em função da idade. O maior valor de rendimento gravimétrico em carvão vegetal (RGC) foi encontrado no material mais maduro.(SOARES ET AL., 2015)

A composição química e as demais propriedades do carvão vegetal são fortemente influenciadas pela temperatura final da carbonização e taxa de aquecimento. No presente estudo, essas duas variáveis foram as mesmas para todas as carbonizações. Dessa forma, variações no RGC, RGNC e RLP podem ser atribuídas somente às características químicas e físicas (tamanho da amostra) do material a ser carbonizado. Em estudos realizados por diversos autores (Brito; Barrichelo, 1977; Oliveira et al., 1989) constatou-se que o teor de lignina está intimamente relacionado ao rendimento gravimétrico em carvão vegetal. Entretanto, no presente estudo, não houve diferença significativa entre os teores de lignina nas três idades estudadas. Assim, o RGC pode ter sido influenciado pelo tipo de lignina presente na madeira e relação C/H. A variação existente nos rendimentos gravimétricos em carvão, gases não-condensáveis e líquido pirolenhoso não pode ser explicada exclusivamente pela idade da madeira.(SOARES ET AL., 2015)

Análise imediata do carvão 

Na Figura 5, apresenta-se a relação entre os parâmetros analisados na análise imediata do carvão vegetal - teor de materiais voláteis (TMV), teor de carbono fixo (TCF) e teor de cinza (TCZ) - e a idade do material vegetal. A variação existente nos teores de materiais voláteis e teores de carbono fixo não pode ser explicada exclusivamente pela idade da madeira. O teor de cinza apresentou a mesma tendência observada na madeira, ou seja, de diminuir em função do aumento da idade da árvore.(SOARES ET AL., 2015) 

Poder calorífico da madeira e do carvão 

Poder calorífico é a quantidade de caloria liberada na queima completa de uma unidade de massa do combustível. A caloria é a quantidade de calor necessária para aumentar um grau um grama de água. A unidade mais usual para combustíveis sólidos é a kcal/kg ou cal/g e para combustíveis gasosos ou líquidos é kcal/m³ (QUIRINO, 2002, BERSCH, 2016).

Segundo Klautau (2008), o poder calorífico pode ser classificado como poder calorífico inferior (PCI) e poder calorífico superior (PCS). O PCI é definido como a quantidade de calor liberada durante a combustão do combustível, com a água sob a condição de vapor. O PCS é a quantidade de calor liberada durante a combustão com a água na forma condensada. O poder calorífico superior (PCS) pode ser obtido experimentalmente em laboratórios utilizando o calorímetro. Este aparelho determina a variação da temperatura da água provocada pela combustão completa da amostra do combustível (KLAUTAU, 2008). Para Campos (2009, p. 2), a diferença entre o poder calorífico superior e o inferior é a energia necessária para evaporar a umidade presente no combustível e a água formada a partir da oxidação do hidrogênio do combustível. Segundo Trugilho (2015), a madeira apresenta poder calorífico variável, dependendo da espécie florestal, sendo a composição química responsável por essa variação, estando diretamente relacionada aos teores de lignina, cinzas e extrativos.(BERSCH, 2016)

Klock et al. (2012, p. 8) afirmam que “o teor de cinzas determina a quantidade de material inorgânico presente na madeira, na forma de óxidos”. A quantidade de cinzas é inversamente proporcional ao poder calorífico (CHAVES et al., 2013, p. 536). O teor de cinzas pode variar entre 0,5% a 5% e depende de fatores como casca, quantidade de terra e areia agregadas à madeira (PEREIRA, 2000, p. 13). As cinzas constituem a parte inorgânica dos combustíveis e podem ser compostas por silício (Si), potássio (K), sódio (Na), enxofre (S), cálcio (Ca), fósforo (P), magnésio (Mg) e ferro (Fe) (KLAUTAU, 2008, p. 29). Os materiais voláteis se dissipam rapidamente durante a combustão da biomassa, diminuindo o tempo de queima do combustível e contribuindo para diminuição da eficiência energética. O carbono fixo tem relação direta com o poder calorífico, aumentando o tempo de queima da fonte energética. Os teores de materiais voláteis e carbono fixo são dependentes entre si, uma vez que a percentagem de cinzas na sua constituição geralmente é baixa (CHAVES, 2013, p. 536; PEREIRA, 2000, BERSCH, 2016).

Em um de seus estudos, Brito e Barrichelo (1978) observaram valores de 13,4% de carbono fixo, 79,8% de materiais voláteis e 0,3% de teor de cinzas para a madeira de Eucalyptus camaldulensis (BERSCH, 2016).

Os valores encontrados para o poder calorífico da madeira e do carvão vegetal do eucalipto, estão apresentados na Figura 6. 

As amostras de madeira estudadas apresentaram poder calorífico com valores entre 4.200 e 4.800 kcal.kg-1. Para o carvão vegetal, foram encontrados valores entre 6.684 e 7.501 kcal.kg-1. Observa-se, em função da idade, ligeira diminuição do PCS da madeira e ligeiro aumento no PCS do carvão. O teor de oxigênio elementar se reduz para aproximadamente 30% do teor original após a pirólise (Tabela 1) (SOARES ET AL., 2015). 

Tabela 1  (SOARES et alii, 2015)

Dessa forma, ligações oxigenadas não estão presentes em grande quantidade no carvão. Na madeira, o oxigênio apresenta, principalmente, ligações simples com hidrogênio (H-O) ou carbono (C-O). As energias de ligação são, respectivamente, 463 kJ.mol-1 e 360 kJ.mol-1. Durante a pirólise, compostos contendo carbonos saturados (ligação simples C-C), tais como celulose e hemicelulose, são degradados. A energia de ligação entre dois carbonos é da ordem de 348 kJ.mol-1 para ligações C-C e 518 kJ.mol-1 para ligações C=C, em compostos aromáticos (ATKINS; JONES, 2006). 

Na madeira, existe maior quantidade de compostos contendo ligações simples e que possuem menor energia. No carvão vegetal, em decorrência da presença de compostos aromáticos e, portanto, mais insaturados, a energia armazenada é maior. Assim, o poder calorífico do carvão vegetal é maior que o da madeira, pois, durante o processo de pirólise, parte dos componentes menos energéticos da madeira foi degradada, ficando preservadas as estruturas que contêm carbonos insaturados, tais como os anéis aromáticos presentes na estrutura da lignina.(SOARES ET AL., 2015)

Eucalyptus cinerea (jsrural)

Acácia negra (vp)

Acácia negra

Divisão: Eukarya
Reino: Archaeplastida (Plantae)
Clado: Tracheophyta
Clado: Angiospermae
Classe: Eudicotiledonea
Subclasse: Rosids
Order: Fabales
Familia: Fabaceae
Tribo: Mimosoideae
Gênero: Acacia
Espécie: Acacia mearnsii De Wild

Os imigrantes do vale do Caí e do Taquari introduziram a Acacia mearnsii De Wild (acácia-negra) em suas propriedades rurais devido à grande demanda da indústria coureiro-calçadista e do vestuário por extrativos tanantes oriundos de sua casca, com a madeira tornando-se um subproduto de pouca valorização monetária, voltada sobretudo para o uso doméstico. (ifn)

A espécie era consorciada com culturas agrícolas (milho, mandioca) no primeiro ano e posteriormente utilizado para o pastoreio de animais (ovelha, gado), aumentando assim a rentabilidade do investimento. (ifn)

Com o passar dos anos a madeira começou a ter outros fins agregadores de valor, sendo utilizada na produção de carvão vegetal e de papel e celulose com a abertura, no estado do RS, de unidades industriais consumidoras de cavaco para exportação.

Cultivo de acácia-negra Acacia mearnsii De Wild

 

Assim desenhou-se o cenário atual: a acácia-negra presente em milhares de propriedades rurais da região, tornando-a uma das maiores fornecedoras de casca para indústria tanante e cavaco para indústria de papel e celulose, além de ser a maior produtora de carvão vegetal do estado do Rio Grande do Sul. 

O maciço florestal de Acacia mearnsii De Wild no estado, segundo ABRAF (2007) é de 152,5 mil hectares. 

Dada importância da produção de carvão vegetal produzido no Vale do Caí e Taquari, há a necessidade de parcerias entre o setor privado local e o setor público para alavancar a cadeia produtiva local. Uma forma de organização regional entre agentes públicos e privados, para que ocorra essa propulsão, são os Arranjos Produtivos Locais (APL).

Segundo Silva e Farias(2015) O rápido crescimento da acácia-negra, associado ao aproveitamento integral da madeira, torna essa espécie ideal para reflorestamento e utilização industrial. A casca é utilizada para extração do tanino e a madeira como lenha, fabricação de papel e celulose e carvão vegetal (SANTOS et al., 2001). O maciço florestal da espécie no estado, segundo ABRAF (2007), é de 152,5 mil hectares. 

Segundo SABLOWSKI (2008), o uso desse tipo de biomassa como fonte energética traduz-se como uma prática sustentável, capaz de promover geração de emprego e renda.  

As florestas exóticas, como de Acácia-Negra, tem importância econômica e social nas pequenas propriedades rurais existentes a região de plantio, pois cerca de 60% das plantações pertencem a pequenos proprietários (TONIETTO; STEIN, 1997). 

A maioria destes produtores planta e colhe a Acácia-Negra na entressafra dos cultivos da propriedade. 

O valor da produção anual para os produtores rurais é de, em média, R$ 113,1 milhões, sendo R$ 5,1 milhões provenientes da comercialização da casca e R$ 108 milhões, da madeira (EMBRAPA, 2005). 

As plantações de Acácia-Negra têm características multifuncionais, tendo uma ação recuperadora de solos de baixa fertilidade. A floresta permite consórcio com cultivos agrícolas e criação de animais e, além da madeira, é possível o uso da casca para fins industriais. CARPANEZZI (2006) indica que a acácia-negra é uma espécie ideal para a recuperação ambiental. 

Isso ocorre em função de ser uma espécie de crescimento rápido e vida curta, que cobre velozmente o solo, não é invasora, ou seja, não se torna uma praga agressiva ao ambiente no qual é instalada, nem desenvolve uma estrutura reprodutora nesse local, não apresenta rebrota de cepa, quando nascem novos brotos no toco da árvore cortada, e enriquece o solo pela elevada deposição de folhedo (serrapilha) rico em nitrogênio. SHERRY' (1971, apud CALDEIRA, et al., 2001, p.2), relata uma incorporação de até 225 kg/ha de nitrogênio pelas bactérias nitrificantes associadas às razes da Acácia-Negra. 

Cultivo de acácia-negra Acacia mearnsii De Wild

No estado do Rio Grande do Sul, o plantio da acácia tem sido nas últimas quatro décadas uma fonte importante de recurso para os produtores rurais e pecuaristas. Isso se dá devido a possibilidade de desenvolver o plantio e colheita da acácia em paralelo a outros cultivos, bem como a criação de gado. Uma prática comum, desenvolvida pelos agricultores deste estado, é plantar uma floresta de mudas em determinada área de terras junto com o cultivo de uma planta frutífera ou leguminosa de safra, como a melancia, o milho, a moranga e outras. 

Como as raízes das árvores e as raízes das outras plantas buscam nutrientes em profundidade de solo diferentes, uma não influencia no desenvolvimento da outra. Quando a colheita da safra ocorre, as árvores têm cerca de um metro de altura e não interferem no desenvolvimento do trabalho. Com essa prática tem-se um ganho de produtividade do sítio no primeiro ano de desenvolvimento da floresta e diminui-se O custo de oportunidade da terra. Cerca de um ano após a colheita da safra, dependendo da fertilidade do solo, há vegetação gramínea rasteira na área de floresta plantada. É prática usual, a partir desse período, a criação de gado na área da floresta, que se alimenta dessa vegetação. Obviamente a vegetação existente no meio da floresta não é tão abundante e nutritiva quanto a vegetação das áreas dedicadas exclusivamente a pecuária, no entanto é suficiente para a criação doméstica de gado, o que é o caso dos pequenos produtores rurais do estado.(AZEREDO, 2011)

Após O período compreendido entre cinco a sete anos a floresta fica pronta para a colheita. É comum que O produtor venda a madeira para combustível ou produção de celulose, e a casca para produção de tanino, amplamente utilizado na indústria de curtimento de couro. Caso não haja interesse em operacionalizar O processo de corte, existe ainda a alternativa de vender-se a floresta "em pé" a quem queira processá-la.

Em 2003 a empresa na qual esse trabalho foi realizado executou o plantio de 400 hectares de floresta de Acácia-Negra, com o intuito de produzir madeira e casca para venda direta às indústrias de celulose e tanino. Em 2011, após a maturação da floresta, o mercado de madeira e casca não é economicamente favorável e mantém preços abaixo da expectativa de venda dos produtores proprietários da empresa. Esses vislumbram duas alternativas para agregar valor a floresta, que está pronta para o corte, e elevar a perspectiva de retorno: produzir carvão vegetal ou produzir biomassa para energia.

O tema de estudo desse trabalho é a análise de três projetos de investimento, mutuamente excludentes, para produção madeira e casca, para produção de carvão vegetal e para produção de biomassa, no intuito de concluir qual investimento é mais interessante economicamente a produtor florestal. (AZEREDO, 2011)

Vantagens

Em 2018, completou um século a introdução da acácia negra (Acacia mearnsii) no Rio Grande do Sul. 

Plantada comercialmente a partir de 1928, tendo sido trazida da África do Sul em função do elevado teor de tanino na casca, essa árvore de porte médio, originária da Austrália, rapidamente se expandiu.

Enquanto a indústria do couro demandava in natura toda a casca que houvesse, a madeira logo substituiu, com vantagem, outras madeiras, principalmente nativas, na geração de energia industrial ou doméstica. 

A fabricação de carvão ajudou a consolidar a cadeia produtiva. Com o passar dos anos, iniciou-se a industrialização da casca com produção e exportação do tanino, ao mesmo tempo em que as propriedades da madeira, com alto poder calorífico, alta densidade e baixo teor de lignina, tiveram usos industriais diversos.

Acacia mearnsii De Wild.

(Fonte: WP)

Acacia mearnsii De Wild, comumente conhecida como acácia negra, (black wattle) ou acácia verde, é uma espécie de planta com flor, da família Fabaceae e é endêmica no sudeste da Austrália. Foi trazida para o Brasil no início do sec. XX. Geralmente é uma árvore ereta com casca lisa, folhas bipinadas e inflorescências esféricas de flores amarelo-claras ou de cor creme, que depois de fecundadas produzem vagens pretas a marrom-avermelhadas. Árvore de porte médio podendo alcançar 10 metros ou mais.

Vagem de acácia-negra

(Fonte: Forest & Kim Starr, WP)

A despeito do menor volume produzido por hectare na comparação com outras florestas cultivadas, a possibilidade de uso múltiplo sempre manteve a espécie como opção economicamente viável. Paralelamente, as caraterísticas silviculturais fizeram da acácia negra a espécie preferida de muitas propriedades de pequeno e médio porte. Destaca-se a possibilidade de consórcios com a pecuária pela boa luminosidade no interior da floresta, associada à fixação significativa de nitrogênio atmosférico por leguminosas.

Da casca, são produzidos taninos para o setor coureiro, taninos modificados para diversas finalidades (floculantes para tratamento de efluentes industriais e água potável), aditivos para alimentação animal, adesivos e outros; e, da madeira, são produzidos cavacos para celulose e pellets para geração de energia. Importantes alterações nos mercados têm ocorrido com necessidade constante de pesquisa e inovação, com o lançamento de novos produtos, majoritariamente de exportação.(florestal, 2018). 

Em 2015, a GZH noticiou que uma tecnologia produzida no Rio Grande do Sul ajuda a acelerar o processo de purificação da água em Governador Valadares, município mineiro do Vale do Rio Doce que foi atingido pelos rejeitos das barragens de Fundão e Santarém. É o polímero de acácia negra, um coagulante líquido, desenvolvido pela empresa gaúcha TANAC, que acelera em até 40 segundos o processo de decantação da lama presente na água.

BIOGÁS

Biogás é a mistura de todos os gases produzidos durante a decomposição de resíduos orgânicos. A decomposição dos resíduos orgânicos quando ocorre em ambientes fechados, ou seja, em locais sem a troca de ar ou em ambientes alagados, onde o resíduo submerso está sem o contato com atmosfera, caracterizando-se como ambientes anaeróbios (locais sem a presença de oxigênio atmosférico livre). Somente nessas condições desenvolve-se micro-organismos anaeróbios que consomem os resíduos orgânicos e produzem o biogás.

O biogás é uma mistura de vários gases: gás metano (CH4), gás carbônico (CO2), vapor de água (H2O), sulfeto de hidrogênio (H2S), amônia (NH3) e outros gases que aparecem em proporções menores do que 1%.

Energia do biodigestor

COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS

A composição do biogás pode variar muito e depende diretamente do tipo de resíduo orgânico (matéria prima para produção de biogás ou simplesmente substrato) e das características do processo de biodigestão anaeróbia.

Entre todos os gases presente no biogás o único gás que é combustível é o gás metano. Os outros gases presentes no biogás são impurezas que vão causar corrosão e desgastes em tubulações, motores, entre outros equipamentos. Além de contribuir para redução do poder calorífico do biogás. Em determinados equipamentos a queima do biogás bruto pode causar prejuízos financeiros ao reduzir a vida útil, comprometendo o investimento realizado para produção do biogás. Nesse sentido, conforme o uso final do biogás é muito importante avaliar que tipo de processo de limpeza e purificação que será necessário.

Para uso comercial do biogás, em média ou grande escala, há a necessidade do desenvolvimento de grandes biodigestores (reatores anaeróbios).

Uma planta completa para a produção de biogás possui diferentes equipamentos distribuídos em várias unidades do processo: unidade de recebimento e estocagem de substrato (biomassa); unidade de alimentação; reatores anaeróbios; tanques de polimento e armazenamento do digestato; gasômetro para biogás; sistemas de limpeza e purificação do biogás; grupo gerador; estocagem do biometano; laboratórios de análise de substrato, análise de inóculos, análise do biogás e central de controle do processo. (energiaebiogás).

Já ouviu falar em gás dos pântanos ou gás do lixo?

Um exemplo de produção espontânea de biogás na natureza é o apodrecimento de materiais em pântanos, lodo em banhados misturado com a vegetação, árvores e outros resíduos vegetais submersos em alguma barragem ou áreas alagadas, até mesmo sedimento orgânico em lavouras de arroz podem produzir biogás. Ou seja, o biogás é gerado no processo natural de decomposição anaeróbia dos resíduos, em ambientes sem oxigênio atmosférico livre. Um bom exemplo de locais onde ocorre espontaneamente a produção de biogás: esterqueiras de dejetos bovinos, de aves e suínos, assim como em lixões, lodo de esgotos.

Benefícios do uso do biogás

Benefícios ambientais

A biodigestão de resíduos orgânicos possibilita uma destinação adequada, estabilizando os substratos que poderiam impactando o meio ambiente, contaminando o solo, poluindo os recursos hídricos e a atmosfera.(energiaebiogás)

O resíduo orgânico, quando biometanizado, contribui com a qualidade de vida de populações a regiões onde área atividades com potencial de poluição pelo excesso de carga orgânica. Ao evitar que os resíduos orgânicos apodreçam em locais inapropriados, indiretamente estará preservando a saúde pública de diferentes vetores.(energiaebiogás)

A decomposição dos resíduos, sem aproveitamento energético, além de configurar-se como um desperdício de energia também é um dos fatores responsáveis pelo aquecimento global. A emissão de carbono, seja na forma de dióxido de carbono ou metano, resulta no desiquilíbrio dos fatores climáticos. Atualmente observamos mudanças no ciclo das chuvas que impactam a produção agropecuária, a produção e o custo de energia elétrica (operação do sistema hidrotérmico de potência - despachos de hidrelétricas e termelétricas), assim como afeta toda dinâmica de climática como um todo, provocando eventos extremos que resultam em perdas econômicas e também em perdas de vida (decorrentes de furações, deslizamentos de terra por excesso de chuvas, secas, grandes nevascas, entre outros).(energiaebiogás)

Produção de energia

O uso do biogás possibilita a substituição direta de outras fontes de energia. Contribuí para autossuficiência energética do investidor. É um biocombustível que possui grande versatilidade de uso final e que não está diretamente exposto a variações cambiais do dólar e nem a variação do preço do barril de petróleo.

A geração de energia com biogás possibilita minimização dos riscos de exposição a mudanças de fatores climáticos, como estiagens que afetam níveis dos reservatórios das hidrelétricas. Não é afetado pela intermitência como são afetadas as fontes eólicas e de energia solar.

Na geração elétrica, o biogás é uma fonte despachável com reduzido custo de armazenamento, quando comparado aos sistemas de armazenamento de energia com baterias de chumbo-ácido, níquel-cádmio ou íons de lítio. Consideram a Análise do Ciclo de Vida (ACV) o biogás mostra-se extremamente vantajoso e competitivo também no segmento de armazenamento.(energiaebiogás)

Digestato e o potencial uso como biofertilizante

O digestato obtido no final do processo de biodigestão anaeróbia é um efluente rico em nutrientes, quando obtido a partir de resíduos agrícola pode ser utilizado como biofertilizante, desde que esteja de acordo com a legislação que permita o seu uso como fertilizante. A produção de biogás pode contribuir diretamente com a redução de custos da produção agrícola, reduzindo a necessidade de compra de fertilizantes químicos. Indiretamente, essa substituição (fertilizantes comerciais pelo biofertilizante) também contribui para redução dos gases de efeito estufa, seja pela emissões evitadas durante a produção de fertilizantes, seja pelas emissões evitadas na logística para a fábrica de fertilizante e a propriedade rural onde será aplicado.

Substâncias tóxicas presentes no biogás

O sulfeto de hidrogênio (H2S) é extremamente tóxico e caso seja inspirado em certas quantidades, causa sufocamento interno. A exposição prolongada ao ar com concentrações de apenas 350 ppm de H2S pode ser mortal para seres humanos. O sulfeto de hidrogênio presente no biogás possui concentrações que variam de 20 a 20.000 ppm (mg/m³). Substratos formados de cultivos de plantas energéticas costumam gerar pequenas quantidades. Substratos a partir de dejetos animais, resíduos orgânicos urbanos, restos de alimentação e esgoto doméstico geram normalmente grandes quantidades.

A partir de concentrações de 50 mg/l o H2S é tóxico e inibe a ação das bactérias metanogênicas. A redução de enxofre é para alguns microrganismos termodinamicamente mais interessante que para as Archeas produtoras de metano. A redução de atividade metanogênica acontece a partir de uma concentração de 2% de sulfeto de hidrogênio no substrato.(portaldobiogás)

É possível utilizar o gás carbônico?

O gás carbônico possui uma ampla utilização na indústria de refrigerantes ou regulando o pH das águas de aquários. Também pode ser usado em extintores de incêndio ou como anestésico em animais que vão para o abate.

Biogás como fonte de hidrogênio

No último estágio de aproveitamento do biogás, o metano pode passar por um processo de Reforma para gerar hidrogênio. Assim como o gás carbônico, o hidrogênio pode ser utilizado para diferentes fins. O hidrogênio é considerado por muitos como o combustível do futuro. Sua combustão resulta somente em energia e água. Hidrogênio como combustível é uma tendência por ser uma boa alternativa aos combustíveis com altos índices de enxofre e aromáticos (portalbiogas).

https://youtu.be/g_sWxRnH8rc

https://youtu.be/VIusKtSTQSs

https://youtu.be/IGPEP9EZU3Y

Tipos de biodigestores

1) Indiano ou "floating drum"

2) Chines ou "fixed dome"

Este biodigestor inspira-se no modelo Indiano, entretanto para torná-lo mais viável economicamente, há algumas modificações. Uma delas é a não utilização da campânula de metal. Assim, o sistema é construído quase totalmente em alvenaria. O teto é impermeável para armazenar o biogás.

O modelo Chinês funciona com base no princípio de prensa hidráulica, o que leva a pressão nesse biodigestor a mudar com o tempo, diferentemente do modelo Indiano. Dessa forma, o aumento de pressão no interior, em virtude do armazenamento de biogás, levará o material a se deslocar da câmara de fermentação para a caixa de saída.

3) Canadense ou "baloom type"

Este modelo possui a tecnologia mais moderna. Mesmo assim, apresenta uma construção simples. Isso acontece, principalmente, por ser praticamente todo construído utilizando material plástico.

É um sistema horizontal, feito por uma caixa de entrada em alvenaria. Essa caixa é pouco profunda, mas muito larga. Consequentemente, o material tem maior exposição ao calor do sol. Isso aumenta a produção de biogás e reduz o risco de entupimento.

Archaeas

Cerca de metade dos organismos do clado Archaea são metanogênicos, i.e., possuem habilidade de produzir grandes quantidades de gás metano, usando como substrato a matéria orgânica. 

Hoje acredita-se que estes organismos anaeróbicos reinaram supremos durante os primeiros 2 bilhões de anos da história da Terra, e o efeito estufa que produziram teve conseqüências impactantes sobre o clima do planeta. Simulações em computador revelaram que o gás metano pode ter durado até 10 mil anos num mundo sem oxigênio.

Esquema explicativo da intensificação do efeito estufa natural.

O papel principal do metano na atmosfera terrestre pode ter começado praticamente junto com o aparecimento da vida, há 3,5 bilhões de anos. Esse gás, juntamente com outro gás-estufa abundante, o dióxido de carbono dos vulcões, teria aquecido a superfície do planeta, aprisionando o calor no planeta Terra e permitindo, ao mesmo tempo, a passagem da luz solar. Uma estufa úmida é o ambiente preferido de muitos organismos metanogênicos. Isto que significa que, quanto mais quente o mundo, mais metano eles teriam produzido, suposição esta que teria como conseqüência o aumento da temperatura global do planeta. Em seu auge, estes microrganismos teriam gerado metano suficiente para deter um congelamento mundial. Naquela época, o sol era consideravelmente menos brilhante do que hoje, de modo que o efeito estufa provocado pelo metano poderia ter sido exatamente o que o planeta necessitava para se manter aquecido.

Hoje em nosso planeta uma das formas de produção do metano (CH4) é pela fermentação entérica anaeróbica de alimentos de vários animais, principalmente os ruminantes, dentre os quais o gado bovino, caprino, e ovino, pelos mesmos organismos que viviam no planeta ha 3,5 a 2,8 bilhões de anos atras. O grande problema é que esse gás metano apresenta um “efeito estufa potencial” 25 vezes maior do que o dióxido de carbono (CO2). Estima-se que a população mundial de ruminantes é responsável pela produção de 15% de todo o gás metano da atmosfera. Além disso, o metano produzido pelos ruminantes (Figura 2), representa cerca de 2 a 15% de perda de energética dos alimentos destes animais (MOSS, 2000). Dessa forma, o metano produzido por ruminantes é reconhecidamente um problema ambiental. 

Entretanto, um leitor atento como você deve ter percebido um problema em tal suposição: a produção de gás metano não poderia aumentar indefinidamente, pois do contrário não estaríamos aqui redigindo este informativo e você, lendo-o, certo? Certo. Os cientistas de Harvard, então, trataram de propor uma solução. Um clima mais quente poderia ter intensificado o ciclo da água e aumentado a erosão de rochas nos continentes, o que teria levado a uma retirada progressiva de dióxido de carbono da atmosfera. Caindo as concentrações de CO2 e aumentando as do metano, chegaria um ponto em que os dois gases se equivaleriam, em aproximação. Nestas condições, acredita-se que o metano teria mudado seu comportamento dramaticamente, evitando assim, que a Terra pudesse tornar-se um planeta inabitável para a maioria dos seres vivos. Esta mudança envolveria a união do metano com hidrocarbonetos complexos, que se condensavam para formar névoas de poeira. Uma destas névoas em altitudes elevadas teria reduzido o efeito estufa ao absorver a faixa visível da luz solar e irradiá-la de volta para o espaço; com uma temperatura mais baixa, boa parte das bactérias metanogênicas não conseguiria sobreviver.

E como explicar as grandes eras glaciais de mais de 1 bilhão de anos atrás? É provável que as "arqueobactérias" metanogênicas tenham reinado soberanas por longos anos, mas à medida que a concentração de oxigênio foi tornando-se progressivamente maior, com o surgimento de organismos autotróficos, esses microrganismos passaram a ter problemas para sobreviver. Com isso, a concentração do metano teria caído drasticamente e o planeta teria sido inteiramente congelado. Entretanto, a taxa pela qual o metano escapava dos mares para a atmosfera, naquela época, poderia ter sido até dez vezes superior à atual, e a concentração do metano na atmosfera poderia ter sido de até 100 ppm. Isto explicaria, enfim, o fato da Terra não ter entrado em uma era glacial permanente e se tornado uma Terra bola de neve eterna.

Motor movido a biogás
Excelente palestra para assistirmos sobre geração de energia
https://vimeo.com/255967443

Bibliografia biogás

https://www.portaldobiogas.com/biodigestao-anaerobia/

http://www.palotina.ufpr.br/portal/bioenergia/wp-content/uploads/sites/5/2018/05/Apresenta%C3%A7ao_Biogas_Palotina-C%C3%B3pia.pdf

https://slideplayer.com.br/amp/13442570/

http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/bitstream/1/6945/1/FB_COEAM_2015_2_08.pdf

https://www.nescon.medicina.ufmg.br/biblioteca/imagem/4250.pdf

ETANOL

De acordo com o Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA), a produção de cana-de-açúcar no ano civil 2019 alcançou 639,0 milhões de toneladas, aumento de 2,3% em relação ao ano civil anterior, quando a moagem foi 624,5 de milhões de toneladas. Em 2019 a produção nacional de açúcar foi de 29,2 milhões de toneladas, redução de -0,4% em relação ao ano anterior, enquanto a fabricação de etanol subiu 5,9% atingindo um montante de 35.156 mil m³. Deste total, 69,8% referem-se ao etanol hidratado: 24.548 mil m³. Em termos comparativos, houve um aumento de 3,6% na produção deste combustível em relação a 2018. Já a produção de etanol anidro, que é misturado à gasolina A para formar a gasolina C, registrou uma queda de 11,6%, totalizando 10.608 mil m³.(epe)

Aproximadamente 140 kg de açúcar ou 86 de etanol podem ser obtidos a partir de uma tonelada de cana (1000 kg). A figura abaixo resume o sistema paralelo de fabricação de etanol a partir da cana:

FABRICAÇÃO DO ETANOL

Como é a fabricação de Açúcar e Etanol a partir da Cana-de-açúcar? Quais as etapas do processamento? Que resíduos são gerados e como tratá-los? Neste artigo você aprenderá como reaproveitar do resíduo da melhor forma com benefícios econômicos e sustentáveis.

A cana é uma planta semi-perene da família das gramíneas, pertencente ao gênero Saccharum. Oriunda das regiões temperadas quentes e tropicais da Ásia, hoje é cultivada em vários países do mundo, como Índia, outros países da África e do Caribe. Em determinadas regiões desses países, a cana encontra condições climáticas ideais para seu crescimento: uma estação quente e úmida, que propicia a germinação, o brotamento e o desenvolvimento da planta, e uma estação seca e fria, que promove a maturação dos colmos e o acúmulo de sacarose.

Ao chegar à usina, a cana-de-açúcar é esmagada, gerando o caldo de cana ou garapa. Após recolher o caldo de cana, ele é acrescido de melaço de processos anteriores formando o mosto, que é então adicionado de uma mistura conhecida como “pé-de-cuba” (levedura recuperada e tratada para diminuição do pH e do teor alcoólico).

A fermentação

A fermentação do mosto ocorre em tanques denominados dornas de fermentação, pelo pro cesso Melle-Boinot, que envolve a recuperação das leveduras e seu reuso no processo, após tratamento.

Após um período de 4-12 horas a fermentação termina gerando um produto final de teor alcoólico entre 7 e 10% que é então centrifugado para separação e recuperação da levedura e segue para a destilação, de onde se obtém o álcool hidratado.

A destilação

Na etapa de destilação, o álcool, água (89-93%) e os demais componentes (glicerina, outros alcoóis, furfural, aldeído acético, ácidos succínico e acético, bagacilho, leveduras, bactérias, açúcares mais complexos, sais minerais, albuminóides, CO2 e SO2) são separados de acordo com seus respectivos pontos de ebulição, em três etapas sequenciais. Na destilação propriamente dita, o álcool é separado do vinho fermentado em duas fases: a flegma (vapores com 40 a 50° GL) e a vinhaça (com menos de 0,03° GL). A vinhaça pode ser utilizada como substrato para a produção e uso de biogás na própria indústria.

A retificação

No processo de retificação a flegma é concentrada até obter um grau alcoólico de 96° GL em sua saída e retirar as impurezas como álcoois homólogos superiores, aldeídos, ésteres, aminas, ácidos e bases. Separa-se ainda o óleo fúsel, composto rico em álcool amílico e isoamílico, usados com aditivos na indústria química.

A desidratação

Finalmente, parte do álcool então produzido passa pelo processo de desidratação com monoetilenoglicol, que reduz a volatilidade da água e permite a evaporação do etanol, que segue separado. Tem-se então um produto com 99,9° GL, o álcool anidro.

BIODÍESEL

Em 2019 a produção de B100 no país cresceu 10,7% em relação ao ano anterior, atingindo o montante de 5.923.868 m³. O percentual de B100 adicionado compulsoriamente ao diesel mineral, entre os meses de janeiro e agosto manteve-se em 10,0%, atingido 11% a partir de setembro. A principal matéria- -prima foi o óleo de soja (61%), seguido do sebo bovino (10,3%).

EXERCÍCIO

As reações de oxirredução I, II, III, descritas abaixo, compõem o processo de produção do gás metano a partir do carvão, que tem como subproduto o dióxido de carbono. Nessas reações, o carvão está representado por C(s) em sua forma alotrópica mais estável.

Identifique os agentes redutores nas equações II e III e escreva a equação termoquímica que representa a produção do metano a partir do carvão.

(vestiprovas)

Bibliografia

https://www.portaldobiogas.com/fabricacao-de-acucar-e-etanol-partir-da-cana-de-acucar/

https://energiaebiogas.com.br/biogas

https://www.researchgate.net/figure/Figura-5-A-Uma-turfeira-ambiente-alagadico-onde-esta-ocorrendo-acumulacao-de-materia_fig2_337008413

https://www.researchgate.net/publication/337008413_RECURSOS_MINERAIS_ENERGETICOS_DE_MINAS_GERAIS/link/5dc02005a6fdcc212800bbf4/download

https://www.researchgate.net/figure/Figura-7-Composicao-quimica-media-e-potencial-calorifico-aproximado-dos-diferentes-tipos_fig4_337008413

https://independenttribune.com/news/peat-moss-good-for-plants-but-bad-for-the-planet/article_e5bbb348-11d6-5655-a233-c8b04a41b074.html

Fungos e o carvão mineral

https://www2.clarku.edu/faculty/dhibbett/Reprints%20PDFs/added_pdfs_Feb_2013/Floudas%20et%20al%202012%20%20Hittinger%202012.pdf

J. M. Robinson, Geology 18, 607 (1990)

https://en.wikipedia.org/wiki/Cellulase

https://www.scielo.br/pdf/qn/v35n5/a25v35n5.pdf

https://cientistasdescobriramque.com/2014/03/25/uma-pequena-historia-sobre-fungos-plantas-fosseis-e-mudancas-climaticas/

https://mundopre-historico.blogspot.com/2016/07/periodo-carbonifero.html

https://web.stanford.edu/group/stanfordbirds/SAN/AAAS-DC/J/Singer-DC.html

https://ucmp.berkeley.edu/carboniferous/carboniferous.php

https://www.comprerural.com/adubo-inteligente-turfa-e-rico-em-materia-organica-onde-pode-chegar-ate-90-em-sua-composicao/

https://www.researchgate.net/figure/Sphagnum-moss-diversity-at-Marcell-Experimental-Station-MN-USA-Left-Example_fig3_266325178

https://www.researchgate.net/publication/266325178_Sphagnum_physiology_in_the_context_of_changing_climate_Emergent_influences_of_genomics_modeling_and_host-microbiome_interactions_on_understanding_ecosystem_function

https://www.ufrgs.br/gravel/2/Gravel_2_07.pdf

https://lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/131681/000982099.pdf?sequence=1&isAllowed=y

https://www.slideshare.net/skinthatflick/sphagnum-37288880

https://www.portaldobiogas.com/formas-de-uso-do-biogas/

http://www.cpbr.gov.au/bryophyte/ecology-sphagnum.html

https://ohiomosslichen.org/moss-sphagnum-fimbriatum/

https://repositorio.usp.br/directbitstream/da159648-fa9c-4511-9b48-bb6dcd560808/1607704.pdf

https://www.researchgate.net/figure/Sphagnum-moss-structures-and-soil-pore-sizes-a-Sphagnum-lawn-with-visible-bleaching_fig6_321661678

https://www.researchgate.net/figure/Figura-4-Ilustracao-esquematica-da-interacao-da-lignina-com-a-celulose-e-a-hemicelulose_fig44_311100232

http://www.madeira.ufpr.br/disciplinassilvana/APOSTILA-ANATOMIA-1P-2016.pdf

https://lrfl.paginas.ufsc.br/files/2016/05/Documentos-194-EMBRAPA-identifica%C3%A7%C3%A3o-macrosc%C3%B3pica-de-Madeiras.pdf

http://www.madeira.ufpr.br/disciplinasklock/quimicadamadeira/polioses2013.pdf

http://www.ccst.inpe.br/estudo-feito-por-pesquisadores-da-diiav-inpe-mostra-o-estado-atual-de-conhecimento-em-torno-das-turfas-tropicais-e-suas-caracteristicas/

http://www.cprm.gov.br/publique/CPRM-Divulga/Carvao-Mineral-2558.html#:~:text=Do%20ponto%20de%20vista%20qu%C3%ADmico,normalmente%2055%25%20a%2095%25.&text=O%20poder%20calor%C3%ADfico%2C%20propriedade%20fundamental,8.650%20kcal%20nos%20demais%20carv%C3%B5es.

https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/3536285/mod_resource/content/2/Aula%209%20-%20Fun%C3%A7%C3%B5es%20microbianas.pdf

https://www.givingcompass.org/article/greenhouse-gas-emissions-and-global-temperature-change/?gclid=Cj0KCQjwwLKFBhDPARIsAPzPi-KdM1sjY1kDLLHN-p5sko4QAtq8VfvdfVcrORelEVm6KlXlWCiL-ycaAm3DEALw_wcB

https://warmheartworldwide.org/climate-change/?gclid=Cj0KCQjwwLKFBhDPARIsAPzPi-JH_UjpcZe1PbbY7npH9UotcLrgBbXjEI1UkC840ZhVqhOt-xhhfF4aAgahEALw_wcB

https://g1.globo.com/jornal-nacional/noticia/2021/05/18/agencia-internacional-de-energia-publica-medidas-urgentes-para-reduzir-aquecimento-global.ghtml

https://www.mcgill.ca/oss/article/environment-health/charcoal-one-most-important-substances-ever-discovered#:~:text=The%20first%20use%20of%20charcoal,and%20began%20to%20ooze%20metal.

IEA

https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050

https://iea.blob.core.windows.net/assets/ad0d4830-bd7e-47b6-838c-40d115733c13/NetZeroby2050-ARoadmapfortheGlobalEnergySector.pdf

Evolução humana

https://www.comciencia.br/tecnicas-recentes-no-estudo-da-evolucao-ajudam-esclarecer-origem-do-homem-e-ocupacao-no-planeta/

Carvão vegetal

http://atividaderural.com.br/artigos/538776e52e52c.pdf

https://revistapesquisa.fapesp.br/carvao-vegetal-sustentavel/

https://www.scielo.br/pdf/cr/v45n5/0103-8478-cr-45-05-00927.pdf

https://lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/33252/000787764.pdf?sequence=1&isAllowed=y

https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-479/topico-528/BEN2020_sp.pdf

https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-479/topico-521/Relato%CC%81rio%20Si%CC%81ntese%20BEN%202020-ab%202019_Final.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Pyroligneous_acid

https://revistapesquisa.fapesp.br/carvao-vegetal-sustentavel/

http://www.mitra-nature.uevora.pt/Especies-e-habitats/Plantas/Lenhosas/Arvores/Myrtaceae/Eucalyptus-camaldulensis

https://www.anbg.gov.au/cpbr/WfHC/Eucalyptus-camaldulensis/

https://www.embrapa.br/florestas/transferencia-de-tecnologia/eucalipto

http://atividaderural.com.br/artigos/538776e52e52c.pdf

https://www.embrapa.br/florestas/transferencia-de-tecnologia/eucalipto/perguntas-e-respostas

Densidade da madeira

http://www.madeira.ufpr.br/disciplinasklock/introduengmad/Propfisicas14.pdf

https://www.scielo.br/j/cerne/a/pNMFr9vxhmVj6bGdC4XWdJN/?lang=pt#

https://www.scielo.br/j/cerne/a/pNMFr9vxhmVj6bGdC4XWdJN/?format=pdf&lang=pt

https://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/bitstream/1/10889/1/DV_COENF_2016_1_01.pdf

https://www.noticiasdemineracao.com/outros/news/1381877/prefeitos-da-regi%C3%A3o-carbon%C3%ADfera-do-rs-pedem-defini%C3%A7%C3%A3o-sobre-mina-gua%C3%ADba

http://www.ihu.unisinos.br/159-noticias/entrevistas/589885-mina-guaiba-um-empreendimento-de-altissimo-impacto-ambiental-e-lobby-da-industria-dos-combustiveis-fosseis-entrevista-especial-com-paulo-brack

https://www.sul21.com.br/ultimas-noticias/economia/2016/10/acordo-do-clima-e-mudancas-politicas-abrem-cenario-de-incertezas-sobre-futuro-do-carvao/

https://www.scielo.br/j/ea/a/PwbGZGfvtBqkZnFsQfLFyBr/?format=pdf&lang=pt

https://www.scielo.br/pdf/rarv/v35n2/a18v35n2.pdf

http://www.cprm.gov.br/publique/media/recursos_minerais/livro_geo_tec_rm/capXI_a.pdf

https://www.researchgate.net/figure/Figura-9-Expectativa-de-fluido-do-play-efetivo-Rio-Bonito-Oleo-da-Bacia-do-Parana_fig5_322577292

https://censos.ibge.gov.br/2012-agencia-de-noticias/noticias/25477-setor-siderurgico-puxa-alta-de-50-5-no-valor-de-producao-do-carvao-vegetal-em-2018.html

https://iba.org/datafiles/publicacoes/relatorios/iba-relatorioanual2019.pdf

https://www.oeco.org.br/reportagens/araucariaceae-as-arvores-pre-historicas-mais-raras-do-mundo-que-sobrevivem-a-extincao/

Alcatrão

http://quimicanova.sbq.org.br/detalhe_artigo.asp?id=78#:~:text=Os%20principais%20compostos%20identific%C3%A1veis%20no,%2C%20criseno%2C%20benzopireno%20e%20antraceno.

Denuncia de desmonte da natureza 

https://brasil.elpais.com/brasil/2021-05-20/eua-entregaram-ao-brasil-detalhes-que-levaram-pf-a-salles-por-suspeita-de-contrabando-de-madeira-ilegal.html

https://www1.folha.uol.com.br/ambiente/2021/04/em-reuniao-com-eua-salles-mostra-brasil-como-cachorro-de-olho-em-frango-de-padaria.shtml

Lignina

https://www.scielo.br/j/qn/a/Qf53ftBJhdRFTN7PQm7CzrS/?lang=pt&format=pdf

https://www.scielo.br/j/qn/a/Qf53ftBJhdRFTN7PQm7CzrS/?lang=pt#

http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/bitstream/riufcg/8369/1/LUANA%20MARIA%20DE%20QUEIROZ%20SILVA%20-%20TCC%20ENG.%20DE%20BIOTECNOLOGIA%20E%20BIOPROCESSOS%202019.pdf

Despolimerização da lignina

http://www.repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/35659/1/2016_tcc_droliveira.pdf

Como tingir ossos

https://pt.eurek-art.com/how-dye-bone#:~:text=Voc%C3%AA%20pode%20fazer%20um%20corante,um%20pigmento%20preto%20escuro%20permanente.

Você pode fazer um corante preto natural com água, taninos e ferro. Escureça o osso ou qualquer material natural até obter uma rica cor preta, primeiro mergulhando em uma solução de ácido tânico e, em seguida, imergindo-o em uma solução de sal de ferro. Isso dará ao osso um pigmento preto escuro permanente.

http://www.repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/10451/1/2010_dis_dapereira.pdf

Entomologia básica

https://www.ica.ufmg.br/wp-content/uploads/2017/06/ap_ent_basica.pdf

OGEDA, Thais Lucy; PETRI, Denise F. S.. Hidrólise Enzimática de Biomassa. Química Nova, [s.l.], v. 33, n. 7, p.1549-1558, 2010. FapUNIFESP (SciELO). http://dx.doi.org/10.1590/s0100-40422010000700023.

https://www.scielo.br/j/qn/a/9n4nqyhZ3dVtZrpHQy5thDh/?lang=pt&format=pdf

http://www.repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/35659/1/2016_tcc_droliveira.pdf

http://abes-es.org.br/wp-content/uploads/2016/09/modulo-02-microbiologia.pdf

BIOGAS

https://www.embrapa.br/documents/1355242/0/Curso+Biog%C3%A1s+-+03+-+Os+modelos+de+biodigestores+e+bases+para+seu+dimensionamento.pdf

http://www.palotina.ufpr.br/portal/bioenergia/wp-content/uploads/sites/5/2018/05/2018-PPG-Bioenergia-Aula-Biomassa-Fabiano-Bisinella-Scheufele.pdf

http://arquivo.ufv.br/petbio/Informativos/outubro2004/Arqueobacteriasmetanogenicas.htm

https://en.wikipedia.org/wiki/Pectin

Melhor site: Eucalipto

https://www.embrapa.br/florestas/transferencia-de-tecnologia/eucalipto/perguntas-e-respostas