Do milho ao etanol: melhorando o processo de fermentação com NIRS
09/08/2021
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A produção de biocombustíveis a partir de matérias-primas renováveis cresceu imensamente nos últimos anos. O bioetanol é uma das alternativas mais interessantes aos combustíveis fósseis, uma vez que pode ser produzido a partir de matérias-primas (renováveis) ricas em açúcares e amido.
A fermentação do amido de milho para produzir etanol como combustível é um processo bioquímico complexo que requer o monitoramento de vários parâmetros para garantir uma produção ideal. A medição desses parâmetros por meio de técnicas laboratoriais tradicionais leva cerca de uma hora para ser concluída e é uma etapa limitante para aumentar a capacidade e a eficiência da planta. A espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) pode substituir análises laboratoriais de rotina, diminuindo os custos operacionais e aumentando a eficiência e a capacidade da planta.
Saiba mais sobre essa técnica de análise rápida e não destrutiva em nossas diferentes séries de postagens no blog, incluindo os benefícios do uso do NIRS e alguns perguntas frequentes.
Benefícios da espectroscopia NIR: Parte 1
Perguntas frequentes na análise de espectroscopia no infravermelho próximo – Parte 1
Produzindo etanol de alta qualidade como aditivo de combustível
O etanol é um componente cada vez mais importante no mercado global de combustíveis, com os países procurando garantir o abastecimento interno de combustível e reduzir as suas emissões de gases com efeito de estufa em relação aos combustíveis fósseis. Os Estados Unidos e o Brasil lideram a produção mundial de bioetanol, respondendo por 83% da oferta.
De acordo com a Renewable Fuels Association, aproximadamente 26 bilhões de galões (quase 100 bilhões de litros) de etanol foram produzidos globalmente em 2020 [1], ligeiramente reduzido em relação ao pico de 2019 devido à pandemia global que também esmagou a procura por gasolina e etanol. A demanda por milho para transformação em etanol ainda deverá aumentar à medida que os Estados Unidos aumentarem a adoção de misturas E15 (15% de etanol na gasolina) [2]. A procura de etanol para exportação também deverá aumentar, com países como a China a implementar uma norma de combustível E10 para veículos motorizados.
Uma das principais formas de satisfazer a crescente procura de produtos e, ao mesmo tempo, manter a competitividade dos preços é aumentar a capacidade da fábrica. No entanto, o fluxo de trabalho analítico laboratorial padrão para monitorar as diferentes partes do processo de fermentação pode ser um fator limitante para o crescimento de um local de produção ou para melhorar sua eficiência. Outra consideração é a variação sazonal e até regional da qualidade da matéria-prima, exigindo que os produtores de etanol monitorem de perto o processo de fermentação para garantir que o produto de mesma qualidade seja alcançado.
Um relatório do Laboratório Nacional de Energia Renovável estimou que quase 40% do custo de produção do etanol combustível de milho vem de mão de obra, suprimentos, despesas gerais e custos operacionais variáveis [3]. A otimização desses custos, que incluem verificações rotineiras de qualidade do caldo de fermentação, manutenção regular dos fermentadores e das torres de destilação e triagem de problemas no processo em tempo hábil, leva a maior rentabilidade da unidade de produção de etanol.
Para maximizar a produção e a rentabilidade do bioetanol, as limitações laboratoriais devem ser superadas. A espectroscopia no infravermelho próximo (NIR) é uma maneira comprovadamente econômica, rápida e fácil de operar para superar as limitações laboratoriais comuns. Primeiro, é necessário um pouco de informação básica sobre a produção de bioetanol antes de abordar como otimizar o processo.
Processo de etanol: moagem úmida vs. moagem a seco
Existem dois processos de produção principais quando se trata de criar etanol a partir de açúcares e amidos de matérias-primas como o milho: o processo de moagem úmida e o processo de moagem a seco (mostrado em figura 1). Quase todo o etanol produzido para combustível nos EUA (maior fabricante de bioetanol do mundo) é produzido pelo processo de moagem a seco [2].
Os grãos são primeiro moídos em partículas menores e mais homogêneas no processo de moagem a seco, o que permite que a casca ou casca seja penetrada mais facilmente. Água e enzimas são então adicionadas para criar uma pasta chamada «mash». Para facilitar a conversão de amidos em açúcares, o mosto é aquecido a temperaturas específicas e depois resfriado antes da adição do fermento. A levedura realiza o trabalho de criação de etanol a partir dos açúcares convertidos por meio do processo de fermentação. Porém, o percentual de etanol ainda é bastante baixo e, portanto, a solução deve ser destilada e desidratada para obter a concentração e a pureza necessárias para os aditivos de combustível.
A moagem úmida difere deste processo porque primeiro embebe os grãos antes da moagem e separa os vários componentes. Os amidos são então convertidos em açúcares que são utilizados no processo de fermentação, tal como na moagem a seco.
Se você quiser saber mais sobre o processo de fermentação, leia nossa postagem no blog sobre otimização da fabricação de cerveja.
Deficiências de análise de laboratório
O laboratório desempenha muitas funções, mas uma das principais é monitorar o andamento da fermentação em cada tanque de fermentação. Isto normalmente requer muitas tecnologias diferentes, porque vários parâmetros devem ser verificados para garantir que a fermentação esteja no caminho certo. O monitoramento e o controle rigorosos dos vários açúcares presentes (por exemplo, glicose, maltose, DP3, etc.) ao longo do processo de fermentação são necessários para compreender a via de degradação do amido (geração de glicose) presente no mosto e otimizar a produção de etanol. A compreensão desta via permite a dosagem adequada de enzimas e leveduras para o mosto nos tanques de polpa (figura 1) para acelerar o colapso. Portanto, otimizar a mistura de enzimas e leveduras é crucial para este processo. Estes são os custos de consumo mais elevados para a produção de etanol e afetam significativamente a taxa de produção e o rendimento final do etanol.
Alguns dos instrumentos analíticos mais comuns e seus casos de uso estão listados em tabela 1.
| Parâmetro | Técnica de medição | Tempo de análise (min) incl. preparação de amostra. |
| Sólidos dissolvidos (°Bx) | Refratômetro | 3–5 |
| pH | medidor de pH | 3–5 |
| Sólidos (não voláteis) | Equilíbrio infravermelho | 15–20 |
| Etanol | HPLC | 30–45 |
| Perfil de açúcar (DP2, DP3, DP4+, glicose, açúcar total) |
HPLC | 30–45 |
| Glicerol | HPLC | 30–45 |
| Ácido lático | Cromatografia iônica | 30–45 |
| Ácido acético | Cromatografia iônica | 30–45 |
| Conteúdo de água | Titulação Karl Fischer | 5–10 |
Se todas as propriedades em tabela 1 serão medidos, pode facilmente levar uma hora usando seis equipamentos diferentes. Considere as etapas de condicionamento e varreduras de referência para garantir a calibração adequada e o tempo para uma análise de fermentação de rotina aumenta. Para uma única fermentação de milho, isso pode levar mais de 55 horas—uma hora para realizar a análise e seis horas entre cada medição. Contudo, aumentar o número de fermentações simultâneas para quatro ou seis significa que as medições dos diferentes tanques começarão a se sobrepor.
A sobreposição da procura de instrumentos combinada com longos tempos de análise resulta numa série de desafios diferentes para os produtores de bioetanol. Primeiro, se os tempos de amostragem programados se sobrepõem, então a amostragem deve ser atrasada ou as amostras devem envelhecer enquanto aguardam a análise. Em segundo lugar, o longo tempo de análise significa que os dados não são mais atuais, mas sim uma hora ou mais antes de serem comunicados ao centro de controle da planta, o que diminui a capacidade de lidar com desvios. Nenhuma dessas situações é ideal para os fabricantes – afinal, tempo é dinheiro.
Longos tempos de análise laboratorial e medições pouco frequentes reduzem a capacidade de realizar intervenções ou de ajustar outros parâmetros críticos (por exemplo, taxa de adição de enzima ou temperatura do processo). Além disso, esses longos tempos de espera podem impedir a decisão de encerrar uma fermentação mais cedo e começar de novo se o lote for considerado sem recuperação.
Medições mais rápidas equivalem a lucros maiores
A maneira mais óbvia de superar os desafios do tempo de medição é aumentar o número de ferramentas no laboratório e/ou adicionar automação. Contudo, esta abordagem tem custos de tempo; o dobro do preparo da amostra aumenta as despesas operacionais e ainda não fornece feedback rápido à equipe de operações da planta.
Uma maneira melhor de superar atrasos de medição é implantar espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS), que pode tornar todas as medições laboratoriais tradicionais com um único equipamento, ao mesmo tempo, em menos de cinco minutos.
Figura 2 exibe a concentração média de etanol a partir de medições de HPLC durante diversas fermentações de uma planta. Os dados mostram aparentes descontinuidades nas primeiras 12 horas, com picos de glicose e sólidos dissolvidos. É também evidente que a medição total de sólidos às 48 horas está errada. No entanto, como os dados de laboratório requerem muito tempo para serem coletados, esse pico é ignorado em vez de testado novamente.
A alternativa NIRS às medições tradicionais, mostrada em Figura 3, é de uma única fermentação monitorada quase em tempo real. Esta análise de alta velocidade é possível porque a preparação da amostra é trivial para o NIRS. Comparado à combinação de HPLC e outros métodos analíticos que consomem cerca de 60 minutos de tempo do operador por amostra, o NIRS mede os mesmos parâmetros e produz um resultado de qualidade em cerca de um minuto. A capacidade de coletar muitos espectros NIR nos estágios iniciais do processo de fermentação fornece uma imagem de maior fidelidade, permitindo intervenções mais oportunas para maximizar a produção de etanol.
A análise NIRS de maior velocidade pode ser usada para aumentar o rendimento total da planta, aumentando o número de lotes e a receita, conforme mostrado em mesa 2. Com a análise tradicional, a fermentação pode decorrer 62–65 horas, dependendo dos resultados laboratoriais finais (Figura 2).
Com a análise NIRS, esta fermentação mostra-se completa em cerca de 56 horas (Figura 3). A redução do tempo de fermentação em seis horas aumenta o número potencial de lotes em 13 ao longo de um ano, representando um aumento potencial da capacidade da planta em 10%.
| Análise de Laboratório Tradicional | Análise NIRS | |
| Tempo total de medição | 12 horas | 5 horas |
| Número de medições | 12 | 62 |
| Ponto final da fermentação | ~62 horas | 56 horas |
| Capacidade do lote | 37.850 litros | 37.850 litros |
| Lotes por ano | 129 | 142 |
Baixe nosso white paper gratuito para saber mais
Este white paper gratuito discute as vantagens da espectroscopia no infravermelho próximo em comparação com medições tradicionais (por exemplo, HPLC), como a espectroscopia no infravermelho próximo pode aumentar a capacidade da planta, maneiras de diminuir custos através de intervenções de processo mais eficazes e como a Metrohm fornece soluções de etanol através do nuvem.
Soluções espectroscópicas no infravermelho próximo para produtores de etanol
A Metrohm oferece diversas soluções NIRS para produtores de etanol para facilitar a análise e otimizar a produção. O Analisador Sólido DS2500 (Figura 4) é ideal para análises laboratoriais rápidas de vários parâmetros críticos de qualidade no processo de fermentação.
Baixe nosso Nota de aplicação gratuita abaixo para saber mais sobre como os instrumentos de laboratório Metrohm NIRS realizam medições de controle de qualidade para o processo de fermentação.
Controle de qualidade dos processos de fermentação – Determinação multiparâmetro em um minuto
Além disso, a Metrohm também fabrica instrumentos NIRS para medições diretamente no processo, eliminando a necessidade de retirada de amostras e transporte até o laboratório. As medições feitas desta forma são as mais representativas das condições reais do processo e, portanto, fornecem dados da mais alta qualidade aos operadores.
Saiba mais aqui sobre nossas diferentes linhas de analisadores e acessórios de processo NIRS.
A comunicação de dados entre o analisador de processo e a sala de controle permite uma visão direta das condições atuais sem atrasos e oferece a possibilidade de integrar avisos quando as leituras estão fora das especificações ou informar os operadores quando o processo de fermentação é considerado concluído.
Para obter mais informações sobre o uso do NIRS para análise de processos na produção de bioetanol, baixe nosso Nota de aplicação de processo gratuita.
Resumo
A análise por infravermelho próximo diminui o tempo de medição para amostras de fermentação em processo em aproximadamente 90%, de uma hora para cinco minutos. Medições mais rápidas permitem que o processo de fermentação seja acompanhado muito mais de perto, economizando tempo do operador para reduzir custos e otimizar as condições do processo e as operações da planta. Melhorias de capacidade de 10% são possíveis ao parar as fermentações com base na rápida determinação dos diferentes parâmetros no fermentador com NIRS, em vez de métodos laboratoriais tradicionais mais lentos.
A metodologia NIR pode proporcionar benefícios em toda a planta de etanol, além do monitoramento da fermentação para medir o desempenho de outros componentes da planta, como uma centrífuga ou um secador, tornando-a uma ferramenta valiosa para melhorar as operações em toda a instalação.
Referências
[1] Produção Anual de Etanol Combustível Produção Anual de Etanol nos EUA e Produção Mundial de Etanol. Associação de Combustíveis Renováveis: Washington, DC, 2021. https://etanolrfa.org/statistics/annual-etanol-produção/
[2] Essencial Energia: Perspectivas da Indústria do Etanol para 2021. Associação de Combustíveis Renováveis: Washington, DC, 2021. https://etanolrfa.org/wp-content/uploads/2021/02/RFA_Outlook_2021_fin_low.pdf
[3] Determinação do custo de produção de etanol a partir de amido de milho e matérias-primas lignocelulósicas. Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL): Golden, Colorado, EUA, 2000. https://www.nrel.gov/docs/fy01osti/28893.pdf
