Caracterização e análise econômica da produção de celulose microfibrilada pelo método grinding

Orientador: Prof. Dr. Washington Luiz Esteves MagalhãesCoorientador: Prof. Dr. Pedro Henrique Gonzalez de CademartoriDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais – PIPE. Defesa : Curitiba, 02/03/2020Inclui referências: p. 79-90Área de concentração: Engenharia e Ciência dos MateriaisResumo: A celulose microfibrilada vem se destacando como um dos potenciais materiais do futuro, onde materiais de alta performance e renováveis são requeridos. Sua alta disponibilidade aliada à baixa densidade, propriedades mecânicas, térmicas e ópticas superiores, fez destas nanoestruturas um material ideal para as mais diversas aplicações, desde o simples reforço de materiais já existentes, até o desenvolvimento de materiais de alta tecnologia. Apesar do grande potencial da celulose microfibrilada, sua produção e comercialização ainda não está estabelecida. Entre as principais barreiras da produção têm-se o alto consumo energético do processo e a dificuldade de caracterização da qualidade dos nanomateriais de celulose. Faltam também na literatura, estudos sobre o escalonamento do processo e análise tecno-econômicos sobre a produção da celulose microfibrilada em larga escala. Assim, este estudo teve como objetivo propor um escalonamento do processo e avaliar os custos envolvidos na produção de celulose microfibrilada em larga escala pelo método grinding, considerando diferentes graus de desfibrilação. Para levantamento de dados do processo, celulose microfibrilada (CMF) foi produzida em laboratório através do método grinding, em um total de 30 passes. Amostras foram retiradas a cada 5 passes para uma posterior caracterização dos diferentes graus de desfibrilação da celulose. Com base na produção em laboratório, foi proposto um escalonamento do processo da produção de CMF pelo método grinding. Foram estimados os custos de investimento da planta, assim como o custo operacional total e custo final de produção. A análise levou em consideração três diferentes graus de desfibrilação, os quais variaram em função do consumo energético. A produção de CMF pelo método grinding em laboratório registrou um consumo de energia de 8,53 kWh.kg-1. O grau de desfibrilação mostrou ter grande impacto sobre as propriedades do material, onde a maior parte da mudança ocorre até uma desfibrilação de 3,11 kWh.kg-1. Para análise econômica foram determinados cenários com consumo energético de 2,3 e 6,5 kWh.kg-1, onde a produção variou de 46 a 150 kg.dia-1. O capital fixo investimento levantado para a implementação da planta foi de US$ 317.170,00, sendo que US$ 140.000,00 corresponde ao valor de aquisição dos equipamentos. O custo final de produção de CMF foi estimado na faixa de US$ 1,95/kg a US$ 4,29/kg, onde custos de mão de obra, celulose e energia representam a maior parte dos gastos. A especificação das características almejadas para o material é fundamental para otimizar o consumo de energia e reduzir o custo de produção. Palavras-chave: Celulose microfibrilada. Grau de desfibrilação. Energia. Escalonamento. Custos. Análise econômica .Abstract: Microfibrillated cellulose has emerged as one of the potential materials of the future, where high performance and renewable materials are required. Their high availability combined with low density, superior mechanical, thermal, and optical properties have made these nanostructures an ideal material for a wide range of applications, from simply reinforcing existing materials to developing high-tech materials. Despite the great potential of microfibrillated cellulose, its production and commercialization are not yet established. Among the main production barriers are the high energy consumption of the process and the difficulty of characterizing the quality of cellulose nanomaterials. The literature also lacks studies on process scaling-up and techno-economic analysis of large-scale microfibrillated cellulose production. Thus, this study aimed to propose a process scaleup and to evaluate the costs involved in large-scale microfibrillated cellulose production by the grinding method, considering different degrees of defibrillation. For process data collection, microfibrillated cellulose (MFC) was produced in the laboratory through the grinding method, in a total of 30 passes. Samples were taken every 5 passes for further characterization of the different degrees of cellulose defibrillation. Based on the laboratory production, a scale-up of the MFC production process by the grinding method was proposed. The capital investment of the plant was estimated, as well as total operating costs and the final cost of production. The analysis considered three different degrees of defibrillation, which varied as a function of energy consumption. The production of MFC by the laboratory grinding method recorded an energy consumption of 8.53 kWh.kg-1. The degree of defibrillation has been shown to have a major impact on the properties of the material, where most of the change occurred until a defibrillation of 3.11 kWh.kg-1. For economic analysis, different scenarios were determined with energy consumption of 2,3 and 6.5 kWh.kg-1, where the production ranged from 46 to 150 kg.day-1. The fixed capital investment raised for the implementation of the plant was US$ 317.170,00, with US$ 140,000,00 corresponding to the purchase price of the equipment. The final cost of MFC production was estimated in the range of US $ 1.95/kg to US $ 4.29/kg, where labor, pulp, and energy costs account for most of the expenditure. The specifications of the desired characteristics for the material is essential to optimize energy consumption and reduce production costs. Keywords: Microfibrillated cellulose. Fibrillation degree. Energy. Scale-up. Costs. Economic analysi