Bioetanol: estabilize a fermentação e a destilação para máxima produtividade

O bioetanol tem sido tradicionalmente produzido por meio da fermentação de açúcares provenientes de culturas alimentares de primeira geração, como milho, cana-de-açúcar, trigo e sorgo. À medida que as políticas globais de descarbonização se tornam mais rigorosas, o etanol vem ampliando seu papel como substituto de baixo carbono para a gasolina derivada de combustíveis fósseis.

A indústria está cada vez mais abandonando as matérias-primas de primeira geração em favor das de segunda geração, também conhecidas como matérias-primas celulósicas, com o objetivo de diminuir as emissões ao longo do ciclo de vida e reduzir a concorrência com a produção de alimentos. As matérias-primas não alimentares — incluindo resíduos agrícolas, subprodutos da gestão florestal e culturas específicas para a produção de energia — contêm açúcares fermentáveis incorporados em estruturas lignocelulósicas que devem ser primeiro decompostas.

Esses materiais exigem pré-tratamento adicional e etapas de hidrólise enzimática para liberar os açúcares fermentáveis da lignocelulose. Essa transição contribui para uma maior redução das emissões, mas também aumenta a variabilidade das matérias-primas e a complexidade dos processos biológicos.

Além do transporte rodoviário, a demanda por etanol está aumentando em diversas áreas de aplicação, incluindo:

• A aviação, impulsionada pela expansão das vias de desenvolvimento de combustíveis sustentáveis de aviação (SAF)
• Produção química, onde o etanol é uma matéria-prima renovável
• Aplicações industriais de combustível, apoiando os esforços de descarbonização em processos que consomem muita energia

A adoção de veículos flexíveis em muitas regiões e o desenvolvimento contínuo de vias de desenvolvimento de SAF reforçam ainda mais a necessidade de uma produção estável e de alta produtividade. À medida que a variedade de matérias-primas aumenta, manter o controle rigoroso sobre os processos de fermentação e destilação torna-se crucial para garantir a conversão eficiente, alta pureza do produto e operações tranquilas downstream.

À medida que as iniciativas de descarbonização em todo o mundo aceleram, o bioetanol desempenha um papel cada vez mais importante na substituição da gasolina de origem fóssil e na redução das emissões por todo o ciclo de vida. Os Estados Unidos e o Brasil continuam sendo os maiores mercados de etanol, com forte incentivo de políticas públicas, como a Norma de Combustíveis Renováveis (RFS) nos EUA e o RenovaBio no Brasil. Essas diretrizes continuam a promover metas mais ambiciosas de mistura de combustíveis e a incentivar vias de produção com menores emissões de carbono.  

Na Índia, um dos mercados de etanol que mais crescem no mundo, o governo está implementando a adoção do combustível E20 em todo o território nacional, um programa iniciado em 2023 e que continua a se expandir por todo o país. Essa expansão contínua aumenta ainda mais a demanda por etanol consistente e de alta pureza.

Na União Europeia, a Diretriz sobre Energias Renováveis (RED II/III) exige que os Estados-Membros aumentem o uso de energias renováveis no setor de transportes, atingindo 29% até 2030 ou alcançando uma redução de 14,5% na intensidade de gases do efeito estufa . Embora não imponham um nível fixo de mistura de etanol, essas metas incentivam a adoção tanto do etanol de primeira geração quanto do etanol celulósico em toda a região.

O aumento da demanda impõe exigências operacionais cada vez maiores aos produtores de etanol para que mantenham uma alta produtividade da fermentação, controlem a variabilidade biológica e estabilizem o consumo de energia na destilação. A fermentação é especialmente delicada e até mesmo pequenos desvios podem perturbar toda a cadeia. A medição precisa do processo e o controle rigoroso da fermentação são essenciais para manter a eficiência da produção e atender aos requisitos cada vez mais exigente do mercado global de bioetanol.

A produção industrial de bioetanol geralmente segue três etapas:

1. Preparação da alimentação: a matéria-prima para bioetanol pode ter diversas origens. Matérias-primas ricas em açúcar como caldo de cana de açúcar, sorgo ou melaço podem ser fermentadas diretamente. Materiais baseados em amido, como milho ou trigo, são convertidos em açúcares usando uma combinação de cozimento em alta temperatura e tratamento com enzimas. Durante essa etapa de conversão, o processo de conversão de amido em açúcar é monitorado de perto para otimizar o consumo de energia e ajudar os operadores a maximizar o total de açúcar disponível
2. Fermentação: o mosto preparado é ajustado quanto ao pH e nutrientes e inoculado com fermento. A fermentação ocorre em grandes recipientes com agitação, onde a temperatura, o pH e o gás CO₂ residual são monitorados para manter a viabilidade do fermento e a eficiência da fermentação. Pequenos desvios podem reduzir a eficiência da conversão ou levar à formação de subprodutos que afetam a separação downstream
3. Destilação e desidratação: a "cerveja" rica em etanol é transferida para o sistema de destilação, onde uma coluna de destilação separa o etanol da água e dos sólidos através do aquecimento controlado. O monitoramento da destilação, incluindo a medição de temperatura e da concentração de etanol, determina a eficiência da coluna. A desidratação final leva o etanol à pureza adequada para uso como combustível

Essas etapas influenciam diretamente a produtividade do bioetanol e o consumo de energia, tornando a instrumentação confiável essencial para uma operação eficiente.

Mesmo quando a fermentação e a destilação operam dentro dos limites nominais, sinais precoces de perda de rendimento e instabilidade aparecem com frequência. Esses sintomas normalmente refletem falhas no controle do processo de produção de etanol e tendem a aparecer antes que os alarmes sejam ativados.

• Lotes de fermentação terminando com uma concentração de etanol menor do que a esperada
• Variabilidade nas taxas de consumo de açúcar entre os lotes
• Formação excessiva de espuma ou padrões inesperados de liberação de CO₂
• Aumento da formação de subprodutos como ácido acético ou glicerol
• Maior demanda de energia na destilação para atingir a pureza desejada
• Etanol fora das especificações causado por instabilidade na coluna de destilação, como flutuações na taxa de refluxo, pressão ou temperatura

Essas questões representam os efeitos superficiais de desequilíbrios mais profundos nos processos de fermentação ou destilação. Pequenas alterações na atividade biológica ou no comportamento da coluna podem se acumular rapidamente, ampliando seu impacto no consumo de energia e na pureza do etanol. Identificar os fatores por trás dessas mudanças é o primeiro passo para a estabilização da produção.  

Embora os indicadores da seção anterior descrevam o que os operadores observam, os fatores subjacentes muitas vezes estão mais profundamente enraizados nas etapas biológicas e térmicas da produção. A fermentação depende de condições microbianas consistentes, enquanto a destilação depende de uma transferência estável de calor e massa. Quando alguma dessas etapas apresenta desvios, pequenos desequilíbrios podem resultar em menor rendimento de etanol, maior consumo de energia e oscilações na qualidade do produto. Entender esses fatores-raiz é essencial para melhorar o controle geral do processo de produção de etanol e manter uma operação previsível.

• Desvios no pH que alteram o metabolismo microbiano, tornando mais lenta a conversão do açúcar e reduzindo a produtividade do etanol
• Variações de temperatura nos fermentadores causam estresse microbiano, tornam mais lenta a cinética das reações e aumentam a demanda por vapor na destilação downstream
• Alimentação de açúcar ou nutrientes não otimizada, causando variação entre lotes na formação de álcool e uma cinética instável da fermentação
• Gestão ineficaz do CO₂, que altera a atividade microbiana e mascara problemas de contaminação precoce ou de viabilidade do fermento
• Falta de medições confiáveis das concentrações de açúcar, nutrientes e etanol, o que limita o monitoramento em tempo real e impede o controle eficaz de parâmetros críticos do processo

• Instabilidade da coluna de destilação, incluindo oscilações de pressão ou temperatura e controle de refluxo inadequado, reduzindo a eficiência da destilação e a pureza do etanol
• Eficiência reduzida da separação, levando a um maior consumo de energia, mais recirculações internas e uma concentração final de etanol inconsistente

Esses padrões operacionais geralmente sinalizam que as condições de fermentação ou destilação estão começando a desviar do desejado. Como essas duas etapas são intimamente interconectadas, mesmo pequenos desvios podem afetar a eficiência geral. O monitoramento das variáveis-chave do processo permite a detecção precoce e ajuda a manter ambas as etapas operando dentro de suas faixas ideais.

Soluções de medição confiáveis transformam uma sequência delicada de fermentação e destilação em um processo que pode ser continuamente monitorado e controlado.

Um pequeno conjunto de medições essenciais oferece desde o princípio a visibilidade da atividade microbiana, conversão de açúcar, uso de energia e desempenho da separação. Esse nível de conhecimento torna o processo de produção de bioetanol mais fácil de gerenciar e otimizar.

• A medição de pH na fermentação garante um metabolismo microbiano estável e uma conversão ideal de açúcar em etanol
• O monitoramento da temperatura da fermentação protege a atividade microbiana e estabiliza a cinética da reação
• A medição da vazão de alimentação de açúcar e nutrientes mantém a disponibilidade consistente do substrato em todos os lotes
• O monitoramento do gás CO₂ residual fornece informações em tempo real sobre a atividade de fermentação e a saúde microbiana

• O monitoramento de temperatura da coluna de destilação indica a estabilidade dos pratos e o desempenho da separação
• A medição da pressão da coluna ajuda a manter o equilíbrio vapor-líquido
• O monitoramento do refluxo e vazão de vapor controla a eficiência da separação e o consumo de energia
• A medição de concentração de etanol verifica a pureza do produto e identifica perdas na separação

• O monitoramento da temperatura em refervedores e condensadores ajuda a manter o equilíbrio térmico do sistema de destilação; a instabilidade aumenta o consumo de vapor e as cargas de recirculação interna
• A medição de vazão de vapor, água de resfriamento e condensado indica desequilíbrios de energia no sistema de destilação e ajuda os operadores a controlar a demanda geral de energia da destilação
• O monitoramento da pureza do etanol através da medição de densidade ou condutividade detecta impurezas, arrastamento de água ou instabilidade da desidratação, que podem levar a uma concentração final inconsistente do etanol

As soluções de medição oferecem os dados essenciais de que os operadores precisam para executar a fermentação e destilação com confiança. Quando os sinais do processo são precisos, os operadores podem fazer ajustes proativos que mantêm a conversão de açúcar, atividade microbiana, estabilidade da coluna e pureza do etanol de acordo com as expectativas. Com uma visibilidade em tempo real das principais variáveis, o controle do processo de produção de etanol torna-se previsível, reduzindo a variabilidade tanto na fase biológica quanto na fase térmica.

• Títulos mais altos de etanol através de uma cinética estável da fermentação e desempenho microbiano consistente
• Menor consumo de energia graças a uma operação de destilação estável e melhor eficiência da troca de calor
• Menos lotes fora das especificações, o que reduz os retrabalhos e estabiliza a concentração do etanol ao longo das campanhas de produção
• Melhor consistência entre os fermentadores, minimizando a variação entre lotes na utilização de açúcar e na liberação de CO₂
• Riscos de segurança reduzidos em relação às flutuações de pressão, acúmulo de CO₂ e gestão do vapor de etanol
• Maior tempo em atividade, com menos alarmes desnecessários e menos flutuação em medições essenciais como pH, concentrações de nutrientes e etanol, temperatura e densidade
• Melhor utilização dos ativos, permitindo um planejamento mais previsível, maior rendimento e melhor planejamento de recursos

A otimização da produção de bioetanol é um processo contínuo de refinamento. Seja para ampliar uma nova instalação celulósica ou para modernizar uma usina já existente com o objetivo de reduzir sua pegada de carbono, uma estratégia de medição confiável é o seu recurso mais valioso. Ela garante uma produção de etanol de alta qualidade e eficiente em termos de energia, ao mesmo tempo minimizando a variabilidade e os riscos operacionais.

Esta seção aborda perguntas comuns relacionadas à estabilidade da fermentação, produtividade do etanol e desempenho energético na produção de etanol. O foco são os desafios operacionais típicos como variabilidade da matéria-prima, ineficiências na fermentação e estabilidade da destilação.