Energia e Meio Ambiente

Das plantas ao biocombustível: uma explicação do pré-tratamento da biomassa

Das plantas ao biocombustível: uma explicação do pré-tratamento da biomassa


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Planta de bioetanol em Seal Sands, Teeside, Reino Unido [Fonte da imagem:Nick Bramhall, Flickr]

A energia renovável da biomassa é agora um componente-chave do desenvolvimento de energia renovável em todo o mundo. O combustível utilizado nesse processo, conhecido como matéria-prima, é composto por biomassa lignocelulósica, ou seja, plantas com estrutura complexa contendo polímeros de celulose, hemicelulose e lignina. Normalmente, são materiais como palha, palha de milho, switchgrass ou resíduos de madeira, usados ​​principalmente para a produção de biocombustíveis, como o bioetanol, que deve ser submetido a um processo de fermentação no qual os açúcares se transformam em álcool (sendo o etanol uma forma de álcool). A maioria das garantias de veículos aceita um máximo de mistura de 5 por cento de bioetanol / 95 por cento de gasolina. Misturas mais fortes são possíveis, mas geralmente requerem modificações no veículo para serem bem-sucedidas.

Antes do processo de fermentação, os açúcares devem ser liberados da lignina por meio de vários processos de pré-tratamento. Esses processos também podem produzir vários subprodutos por meio de processos integrados de biorrefinaria.

Os polímeros de carboidratos, celulose e hemicelulose, e o polímero aromático lignina contêm açúcares de carbono que estão fortemente ligados à lignina. Isso quer dizer que eles estão presos na lignocelulose. Isso significa que eles devem primeiro ser desconectados da lignina e depois hidrolisados ​​com ácido ou enzimas, a fim de serem quebrados em açúcares (monossacarídeos simples) para que possam ser usados ​​para biocombustíveis.

A etapa inicial deste procedimento é mecânica. As plantas devem ser trituradas e trituradas para reduzir seu tamanho, diminuir a cristalinidade, reduzir a polimerização e aumentar o efeito da hidrólise ácida ou enzimática. Isso também melhora a densidade de energia da biomassa para que possa ser mais facilmente transportada do campo para o ponto de uso. Normalmente, a biomassa é convertida em pelotas, cubos ou discos (semelhantes em tamanho e formato a um disco de hóquei no gelo). Eles também podem ser transformados em 'bio-carvão' ou 'bio-óleo' por meio de tratamento de calor e pressão.

O fracionamento é o processo pelo qual a biomassa é convertida em lignina, celulose e hemicelulose, que podem ser processadas mais facilmente em uma biorrefinaria.

A próxima etapa é a explosão de vapor, na qual a estrutura fibrosa da biomassa é quebrada com vapor de alta pressão e então despressurizada rapidamente. Isso destrói o fibroso, permitindo assim os processos de pré-tratamento subsequentes. Outros métodos para obter o mesmo resultado incluem a explosão de fibra de amônia, na qual a biomassa é tratada com amônia líquida em alta temperatura e pressão, e a explosão supercrítica de dióxido de carbono, na qual a biomassa é tratada com dióxido de carbono.

Cientistas do Serviço de Pesquisa Agrícola do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA) adicionam uma nova cepa de levedura a uma mistura de sabugo de milho para testar sua eficácia na fermentação de etanol de açúcares vegetais [Fonte da imagem:Departamento de Agricultura dos EUA, Flickr]

A hidrólise alcalina envolve o tratamento da biomassa com alta concentração de alcalina em baixa temperatura por um longo período de tempo. As substâncias utilizadas para este fim incluem hidróxido de sódio, hidróxido de cálcio ou amônia. As vantagens deste processo incluem temperaturas e pressões mais baixas, menor degradação dos açúcares e a capacidade de recuperar muitos dos sais cáusticos. No entanto, o longo período de tempo necessário e a alta concentração de alcalino são as principais desvantagens.

A deslignificação íngreme a baixa temperatura (LTSD) é um processo desenvolvido pela Bio-Process Innovation Inc que usa pequenas quantidades de produtos químicos não tóxicos. Uma planta piloto de uma tonelada foi construída pela empresa em Indiana, EUA, mas o processo agora está amplamente disponível para uso em biorrefinarias em outros lugares.

O Fracionamento Lignocelulósico Aprimorado com Co-solvente (CELF) usa um composto orgânico chamado tetra-hidrofurano (THF) em combinação com ácido sulfúrico diluído para o fracionamento. Pode produzir um alto teor de açúcar para fermentação. Ele também pode produzir uma série de compostos orgânicos úteis, incluindo furfural (que pode ser usado como um auxílio para a distribuição de herbicidas agrícolas e como um solvente químico), 5-hidroximetilfurfural e ácido levulínico que pode ser cataliticamente convertido em produtos químicos ou combustível. Este processo foi desenvolvido pela Universidade da Califórnia e licenciado pela CogniTek. Uma empresa chamada MG Fuels foi criada para comercializar o processo.

Organosolv usa solventes orgânicos como etanol, metanol, butanol e ácido acético para tornar a lignina e a hemicelulose solúveis. Um processo organosolv patenteado foi desenvolvido e patenteado pela American, Science and Technology AST, embora atualmente esteja apenas em escala piloto. O processo converte biomassa lignocelulósica em açúcares, lignina pura, polpa e bioquímica e envolve fracionamento e hidrólise para produzir mais de 95% de rendimento de açúcares.

Ozonólise é o tratamento da biomassa com ozônio antes da hidrólise enzimática.

A pirólise é um dos processos mais conhecidos, envolvendo decomposição química por aquecimento. A pirólise instantânea consegue isso em 1-2 segundos, usando temperaturas de até 500 ° C. As unidades móveis de pirólise estão atualmente em uso por várias organizações em todo o mundo, além de serem implantadas em nível local em países em desenvolvimento para atingir a produção de biocombustíveis em escala comunitária. A torrefação é uma forma mais branda de pirólise, na qual o processo termoquímico é conduzido a 200-350 ° C na ausência de oxigênio que produz biomassa torrificada ou carvão, mais comumente conhecido como ‘bio carvão’.


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