Nos promórdios da produção de etanol de milho, um lucro suficiente podia ser obtido com a oferta de um mix simples de etanol e grãos secos de destilaria (distillers dried grains, DDG). Essa estratégia permitiu que uma usina se concentrasse no rendimento do etanol, o que foi suficiente para a maior parte de seus resultados.
No ambiente atual, vários fatores contribuíram para tornar o lucro das usinas mais desafiadores através dos métodos tradicionais de produção. Para crescer, as usinas devem se concentrar na diversificação de produtos e na criação de eficiências operacionais, que podem ser obtidas com a implementação de um processo mais eficiente de separação do milho.
Cada vez mais, o segredo para a criação de um negócio sustentável para os produtores de etanol é diversificar os produtos derivados do milho e, dessa forma, os fluxos de receita. Como a demanda por proteína aumenta em todo o mundo, atender a essa necessidade exige maior disponibilidade de produtos de farelo proteico para os animais de corte que consumimos. Tradicionalmente, uma fonte de proteína economicamente rentável tem sido os grãos secos de destilaria (DDG) usados para alimentar suínos, aves e gado leiteiro e de corte. No entanto, os processos de produção tradicionais resultam em composição imperfeita de DDG, produzindo níveis de componentes residuais que reduzem a eficácia dos componentes desejados, especialmente proteína.
O milho tem quatro componentes significativos — amido, proteína, gordura e fibra —, mas produz apenas três produtos: etanol, óleo de milho e DDG. Com apenas três cestas onde colocar os componentes do milho, o DDG é deixado como uma mistura dos materiais remanescentes, que resulta em excesso de proteína para as dietas dos ruminantes. O alto conteúdo de fibra do DDG evita sua aplicação mais ampla para o farelo de não ruminantes, no qual o valor da proteína é mais alto por diversos fatores. Isso faz com que a fração de produção de farelo animal de uma usina padrão de etanol de milho seja um ponto de destaque para processos de separação melhores.
A ICM tem um longo histórico de fornecimento de soluções focadas na melhoria das operações e na abertura de oportunidades para criar produtos de maior valor. Na última década apenas, a ICM desenvolveu várias tecnologias para melhorar o processo de separação do milho, entre elas, Base Tricanter System™ (BTS™), Selective Milling Technology™ (SMT™) e Selective Milling Technology V2™ (SMTv2™), a Fiber Separation Technology™ (FST™) e Fiber Separation Technology Next Gen™ (FST Next Gen™), Thin Stillage Solids Separation System™ (TS4™) e Fiber Optimization Technology™ (FOT™). Veja a Figura 1.
As tecnologias patenteadas da ICM, FST™ e FST Next Gen™ removem a fibra do grão de milho antes da fermentação. O fluxo de fibra limpa remanescente depois dessa separação é disponibilizado como matéria prima para o processo Gen 1.5 com patente pendente da ICM. Tradicionalmente, a fibra tem valor no DDG, mas quando separada no seu próprio fluxo, a fibra fica disponível para conversão em açúcares celulósicos para a produção de etanol. Os sólidos residuais, destituídos de fibra, então se tornam DDG de maior valor, com alto teor de proteína.
Figura 1. Tecnologias de plataforma e produtos de ração animal da ICM
O milho tem duas frações de fibra: o pericarpo é a fina camada do cereal que cobre a parte externa do grão e consiste principalmente de lignocelulose e a casca do grão, que é uma partícula fibrosa que sustenta o grão de milho à espiga, com menos lignocelulose, maior teor de proteína e gordura. Ambos são matérias-primas para o processo Gen 1.5 da ICM.
Coletivamente, as tecnologias patenteadas da ICM aumentam o número de fluxos da usina de etanol, permitindo produtos de maior pureza com elevada aplicação e valor. Ainda mais notável é sua tecnologia com patente pendente, Grain Fiber to Cellulosic Ethanol Technology™ (ICM Gen 1.5), que captura um valor RIN significativamente maior do que o etanol de amido normal de alta eficiência e produz um DDG com alto teor de proteína.
Nos últimos anos, dificuldades prolongadas em usinas de etanol de segunda geração lançaram dúvidas quanto ao uso de lignocelulose como matéria-prima para o etanol combustível. Em 2017, o Departamento de Energia lançou o Consórcio de interface para conversão de matéria-prima (Feedstock-Conversion Interface Consortium, FCIC), visando aumentar a confiabilidade da entrega direta da biomassa (principalmente focada em resíduos agrícolas e matéria prima de madeira) para a boca do reator. Esses desafios ainda precisam ser resolvidos, e, como resultado a indústria vê o etanol celulósico em grande escala como um alto risco técnico.
O etanol celulósico Gen 1.5 da ICM é diferente de outros processos de etanol celulósico. A ICM abordou o etanol celulósico com o entendimento de que ele pode ser produzido de uma forma muito semelhante ao etanol de amido da Geração 1.0 (Gen 1.0). Os dois processos têm tratamento prévio de matéria-prima semelhante, etapas de solubilização e fermentação, customizadas para cada estrutura de carboidrato. Veja a Figura 2.
Figura 2. Gen 1.5 da ICM é semelhante ao Gen 1.0
Com amido e fibra, a matéria-prima precisa ser tratada para abrir as estruturas e obter maior acessibilidade a enzima. No processo de amido, isso pode ser feito a temperaturas de cocção elevadas. Com a fibra, as temperaturas precisam ser mais altas e o processo é mais eficiente com o uso de um ácido ou um catalisador base. No processo Gen 1.5 da ICM, o ácido sulfúrico é adicionado durante a etapa de tratamento prévio, oferecendo um valor secundário a partir do mesmo produto químico usado para reduzir o pH na produção do etanol de amido e eliminando a necessidade de adicioná-lo mais tarde.
Os processos de amido e fibra precisam converter os polímeros naturais em açúcares monoméricos fermentados com o uso de enzimas, com especificidade para a cadeia de açúcar de cada matéria-prima. Apesar de a fibra ser limpa com água quente no processo FST™ patenteado, alguma proteína altamente recalcitrante ligada, amido e gordura continuam ligadas à fibra. No processo de etanol Gen 1.0, esses componentes passam para o sistema secundário do processo e acabam como proteína pouco digerível e amido residual no DDG. Em vez disso, no processo Gen 1.5 da ICM, o tratamento prévio hidroliza parcialmente os componentes, facilitando sua fermentação a etanol, tornando-os proteína animal mais digerível.
No processo Gen 1.5 da ICM, a fermentação é obtida usando uma levedura GMO especialmente projetada, desenvolvida para fermentar não apenas a glicose, mas também os açúcares arabinose e xilose (C5) encontrados na fibra do grão de milho. Veja a Figura 3. A fermentação é quase idêntica à produção de etanol de amido, mas acessar os açúcares xilose e arabinose quase triplica o volume de etanol celulósico que pode ser produzido. É da maior importância usar a levedura C5 para etanol de fibra de grão de milho: sem a levedura metabolizando os altos níveis de arabinose, os lactobacilos converterão os açúcares valiosos em ácido lático subótimo.
Figura 3. A ICM usa uma levedura especial GMO que pode fermentar todos os açúcares
Por causa das limitações da fluidez das pastas de fibra antes do tratamento prévio e da solubilização, o conteúdo de açúcar dos açucares da fibra podem ter apenas 5% a 7% de etanol por peso. As vantagens dos custos de capital e o rendimento do processamento são alcançadas incluindo o mosto Gen 1.5 para completar o processo de fermentação de etanol de amido cinco vezes maior. Isso permite que o processo Gen 1.5 da ICM ofereça um ganho de produção de etanol de 10% para a usina, em vez de apenas os 7% que seriam obtidos com o processamento do mosto Gen 1.5 de fibra separadamente, e economiza um volume significativo de custos de capital na parte finalda usina, porque os mesmos sistemas de decantação, destilação e desidratação são reutilizados.
O processo Gen 1.5 da ICM foi desenhado como uma tecnologia lignocelulósica de plataforma e compacta. A ICM se concentrou em simplificar o processo mantendo os fluxos bombeáveis e as fermentações operacionalmente padrão. O resultado são três operações unitárias semelhantes aos atuais processos de etanol de amido, em uma escala em que as unidades podem aprender a operar eficientemente o processamento de matéria-prima de segunda geração sem adição de novos sistemas de logística e manuseio de matéria-prima, nem matéria-prima de tratamento prévio difícil com altos níveis de lignina e extrativos.
Usinas de etanol localizadas mais a Oeste, utilizando os processos Gen 1.5 da ICM podem também produzir um valor adicional significativo a partir de programas padrão de combustível de baixo carbono. Intensidade de carbono (Carbon intensity, CI) está criando uma crescente demanda por etanol celulósico e o processo Gen 1.5 da ICM oferece um fluxo de etanol com uma pontuação de CI de um dígito. Isto tem potencial para aumentar a lucratividade de todos os galões de uma usina de etanol de amido em 20 a 30 centavos por galão. Desta forma, o fluxo de fibras de menor valor em uma usina tornou-se o produto de maior valor.
No futuro, a sustentabilidade de uma usina de etanol ficará cada vez mais dependente da capacidade da usina de aumentar a diversidade dos produtos, que pode ser obtida através da consideração cuidadosa sobre como maximizar a pureza e o volume dos produtos de maior valor. Com seu processo Gen 1.5, a ICM desenvolveu um método para processamento de altos volumes de fibra de milho de baixo valor em produtos premium com alta demanda, utilizando métodos de processamento semelhantes às operações unitárias parecidas com as do amido para os produtores de etanol.
