O uso de bagaço de cana-de-açúcar para produção de biogás

O uso de bagaço de cana-de-açúcar para produção de biogás

Autora: Isabella Grando Zamboni

O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo e estima-se que 161 milhões de toneladas de bagaço de cana-de-açúcar tenham sido geradas no Brasil na safra de 2019/2020. O bagaço de cana-de-açúcar é gerado na etapa de moagem da cana-de-açúcar para obtenção do caldo de cana, utilizado para produção de açúcar e etanol. A maior parte desse bagaço de cana é utilizada no processo de cogeração, em que o bagaço produzido é utilizado como combustível para geração da energia elétrica utilizada pela usina. O excedente de bagaço pode ser utilizado na alimentação de ruminantes, na produção de briquetes/papel e, mais recentemente, na produção de etanol de segunda geração. Outro uso, ainda em estudo, é sua utilização para produção de biogás, através da digestão anaeróbia.

De forma simplificada, a digestão anaeróbia é um processo biológico de conversão de compostos orgânicos em biogás, que ocorre em várias etapas, por vários grupos de microrganismos, na ausência de oxigênio. Na digestão anaeróbia de bagaço de cana, o bagaço de cana (substrato) é misturado a uma fonte de microrganismos (inóculo). O inóculo pode ser um lodo anaeróbio (de estações de tratamento de esgoto ou de plantas de biogás), um fluido de ruminante (estrume, esterco ou líquido de rúmen), ou a combinação de ambos. A digestão anaeróbia de bagaço de cana é vantajosa por gerar produtos com valor agregado (digestatos sólido e líquido e o biogás), ser neutra em carbono, promover a criação de empregos e diversificar a matriz energética (o que conduz a um abastecimento mais seguro de energia). Além disso, para muitos países, o bagaço de cana e o inóculo são mais disponíveis, de acessibilidade mais fácil e de regeneração mais rápida que outros combustíveis (como o petróleo).

Os gargalos principais do processo de digestão anaeróbia de bagaço de cana estão ligados às características e à estrutura do bagaço de cana. O bagaço de cana é sólido e tem altas capacidades de absorção e retenção de água, fazendo com o mesmo absorva e retenha grande parte da água do reator. Esses fatores dificultam o desenvolvimento da digestão anaeróbia. Outro fator muito importante é sua estrutura. Como qualquer outro material lignocelulósico (como troncos e folhas de árvores, palhas de trigo e espigas de milho), o bagaço de cana possui uma estrutura complexa denominada lignocelulose na parede de suas células. Essa estrutura é composta principalmente por celulose, hemicelulose e lignina e é extremamente recalcitrante à degradação (difícil de degradar biologicamente) por diversos fatores (como o revestimento da celulose pela hemicelulose, a proteção da celulose pela lignina e a cristalinidade das microfibras de celulose).

A fim de contornar os gargalos desse processo, estudos recentes objetivaram realizar codigestões ou pré-tratamentos, sendo o segundo mais comum. O pré-tratamento é aplicado ao bagaço de cana antes da digestão anaeróbia e tem por objetivo romper parcialmente e desestabilizar a estrutura da lignocelulose, facilitando assim a digestão anaeróbia. As técnicas de pré-tratamento podem ser físicas, químicas ou biológicas. As técnicas físicas envolvem aplicação de calor, pressão, radiação, moagem ou a combinação desses, enquanto as técnicas químicas envolvem geralmente a aplicação de ácidos (como ácido sulfúrico e ácido clorídrico) ou bases (como hidróxido de sódio e hidróxido de cálcio). As técnicas de pré-tratamento biológicas envolvem geralmente a aplicação de enzimas e fungos. Frequentemente tem-se discutido se as técnicas de pré-tratamento realmente são alternativas viáveis. Isto é, se o aumento na produção de metano/biogás resultante da aplicação delas compensa os altos custos financeiros envolvidos por elas (implantação, operação, tratamento dos subprodutos gerados do processo, entre outros).

Estudos recentes indicaram a possibilidade de o processo de digestão anaeróbia de bagaço de cana ser acoplado a uma biorrefinaria, conceito análogo a uma refinaria de petróleo. O bagaço de cana sem pré-tratamento seria alimentado em um digestor anaeróbio com um inóculo. Controlando algumas condições do reator, os microrganismos degradariam praticamente somente a hemicelulose, produziriam biogás e desestabilizariam a estrutura do bagaço de cana. O restante da biomassa (digestato sólido), constituída principalmente por celulose e lignina, poderia passar pelo processo de sacarificação enzimática, em que a celulose seria hidrolisada. O resultado desse processo seria glicose e um resíduo rico em lignina. A glicose poderia ser utilizada para fabricação de etanol, enquanto o resíduo rico em lignina poderia ser usado para geração de eletricidade. O digestato líquido poderia ser utilizado como alimento para uma cultura de algas, que por sua vez poderia ser utilizada para geração de biodiesel.

Referências

• BITTON, Gabriel. Wastewater microbiology. 3. ed. Florida: John Wiley & Sons, 2005.
• G1. Brasil é o principal produtor de cana-de-açúcar do mundo: técnicas de produção estão cada vez mais sustentáveis. 2021. Disponível em: clique aqui. Acesso em: 17 out. 2021.
• GOMEZ, Claudius da Costa. Biogas as an energy option: an overview. In: WELLINGER, Arthur; MURPHY, Jerry; BAXTER, David (org.). The biogas handbook: Science, production and applications. Oxford: Woodhead Publishing Limited, 2013. p. 1–16.
• LIMA, Léo da Rocha; MARCONDES, Aluizio de Abreu. Álcool carburante: uma estratégia brasileira. Curitiba: UFPR, 2002.
• MCKENDRY, P. Energy production from biomass (Part 1): Overview of biomass. Bioresour Technol, [S. l.], v. 83, n. 1, p. 37–46, 2002. DOI: 10.1016/S0960-8524(01)00118-3.
• OBSERVATÓRIO DA CANA. Histórico de produção e moagem. 2021. Disponível em: Clique aqui. Acesso em: 12 maio. 2021.
• PAPADOPOULOU, Christina; MATRALIS, Haris; VERYKIOS, Xenophon. Utilization of Biogas as a Renewable Carbon Source: Dry Reforming of Methane. In: GUCZI, László; ERDŐHELYI, András (org.). Catalysis for Alternative Energy Generation. New York: Springer, 2012. p. 57–127. DOI: 10.1007/978-1-4614-0344-9_3
• REGALBUTO, John R.; ALMALKI, Fahad; LIU, Qiuli; BANERJEE, Ritubarna; WONG, Andrew; KEELS, Jayson. Hydrocarbon Fuels from Lignocellulose. In: BADRAN, Adnan; MURAD, Sohail; BAYDOUN, Elias; DAGHIR, Nuhad (org.). Water, Energy & Food Sustainability in the Middle East: The Sustainability Triangle. Gewerbestrasse: Springer, 2017. p. 127–159.
• SANT’ANNA, Celso; DE SOUZA, Wanderley; BRIENZO, Michel. The influence of the heterogeneity, physicochemical and structural properties on the recalcitrance and conversion of sugarcane bagasse. In: WEBB, Eleanore (org.). Sugarcane: Production, Consumption and Agricultural Management Systems. New York: Nova Publishers, 2014. p. 1–33.
• SAWATDEENARUNAT, Chayanon; SURENDRA, K. C.; TAKARA, Devin; OECHSNER, Hans; KHANAL, Samir Kumar. Anaerobic digestion of lignocellulosic biomass: Challenges and opportunities. Bioresource Technology, [S. l.], v. 178, p. 178–186, 2015. DOI: 10.1016/j.biortech.2014.09.103.
• YUE, Zhengbo; TEATER, Charles; LIU, Yan; MACLELLAN, James; LIAO, Wei. A Sustainable Pathway of Cellulosic Ethanol Production Integrating Anaerobic Digestion With Biorefining. Biotechnology and bioengineering, [S. l.], v. 105, n. 6, p. 1031–1039, 2010. DOI: 10.1002/bit.22627.
• ZAMBONI, Isabella Grando. Digestão anaeróbia de bagaço de cana-de-açúcar em batelada para produção de biogás. 2021. Universidade de São Paulo, São Paulo, 2021. 289 p. Dissertação (Mestrado em Ciências) - Departamento de Engenharia Química da Escola Politécnica, 2021.

Gostou do assunto?

Quer saber mais sobre o biogás no Brasil?