Nome do Projeto
USO ENERGÉTICO DE RESÍDUOS DE PODA DE NOGUEIRA-PECAN
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
30/10/2020 - 01/10/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Multidisciplinar
Resumo
O Brasil é, atualmente, o quarto maior produtor de noz-pecan [Carya illinoinensis (Wangenh.) K. Koch] do mundo, sendo o estado do Rio Grande do Sul, o maior produtor no país. No manejo de pomares da cultura, estão incluídas podas regulares afim de proporcionar ventilação e entrada de luz como estratégias para incremento na produção de frutos. Esse resíduo da poda é, na maioria das vezes, descartado. Pensando no aumento das áreas plantadas da cultura no estado e no potencial de geração de resíduo desta atividade, este projeto tem como objetivo verificar o potencial de uso de resíduos de poda de pomares de nogueira-pecan como biomassa florestal por meio da avaliação de suas propriedades. Para tanto, serão realizadas as seguintes avaliações: Ação 1 de pesquisa - quantidade de resíduos por área; Ação 2 de pesquisa - densidade da madeira, teor de umidade de partículas, poder calorífico superior, teor de cinzas, conteúdo de extrativos e lignina, Análise Termogravimétrica (TGA) e Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourrier (FTIR); Ação 3 de ensino – aula prática de disciplina de graduação e elaboração de material didático; Ação 4 – palestra aberta ao público externo com a compilação das informações levantadas pelo projeto. Com esse trabalho, pretende-se indicar as potencialidades desse material para que, dependendo dos resultados possam ser adicionados processos para produção de produtos de biomassa florestal, como pellets, por exemplo. Portanto, algumas ações poderão ser adicionadas no final das etapas desse projeto unificado.

Objetivo Geral

Verificar o potencial de uso de resíduos de poda de pomares de nogueira-pecan como biomassa florestal por meio da avaliação de suas propriedades tecnológicas.

Justificativa

A espécie conhecida popularmente no Brasil como nogueira-pecã ou nogueira-pecan, Carya illinoinensis (Wangenh) C. Koch, tem sua distribuição natural em países da América do Norte, como Estados Unidos (EUA) e México, sendo nativa do vale do Rio Mississippi (EUA), onde encontra as melhores condições de desenvolvimento às margens de rios e estende-se para o leste e oeste do Kansas e Texas, também sendo encontrada na região do centro e nordeste do México (Willians, 2013). Os países com maior produção de noz-pecã também são os países de origem, no qual juntos corresponderam a 92% da produção mundial de 124.000 toneladas da safra de 2017/2018 (International Nut and Dried Fruit Council Foundation, 2018). Seu cultivo é realizado, predominantemente, para a obtenção da noz que possui alto valor agregado para consumo in natura, processado, confecção de doces, em óleos e produtos cosméticos.
No Brasil, a espécie encontrou ótimas condições para seu desenvolvimento e produção de nozes principalmente na região sul do país, destacando-se o estado do Rio Grande do Sul (RS), onde se encontra a maior parte das áreas de cultivo no país (Fronza et al., 2015). Atualmente a área cultivada com a espécie no RS é superior a 5.000 hectares (Hamann et al., 2018), e em 2019 o país é alcançou a posição de quarto maior produtor mundial de noz-pecan.
Dentre as atividades essenciais para condução de um pomar produtivo de nogueira-pecan, estão as podas de condução e produção, necessárias para formação da arquitetura da copa produtiva. Além dessas podas essenciais, eventualmente também são realizados os chamados desbastes ou raleio de árvores, os quais são importantes para aumento da ventilação e insolação e redução da competição entre plantas em pomares com espaçamentos reduzidos, chamados também de pomares adensados.
A maior parte dos pomares do Brasil conduzem as árvores de nogueira-pecan, as quais são provenientes de mudas enxertadas, sob copa com o chamado líder-central, com intervenções menores na copa, quando comparado aos grandes produtores mundiais, tais como Estados Unidos e México, onde a chamada poda “Hedge” é muito usual e resulta em grande quantidade de material retirado dos pomares. Esta poda consiste em uma contenção na lateral das plantas, por meio do corte lateral em um ou dois lados das plantas a uma distância pré-determinada com relação ao caule, sendo considerada a poda padrão do oeste dos Estados Unidos (WELLS, 2018).
Wood e Stahmann (2004), já relatavam problemas, relacionados à manutenção mais intensa de copa, ou seja, problemas em pomares que não usavam a “hedge”. Alguns pontos destacados são: sombreamento inter e intra-árvore excessivo, alternância de produção, maior suscetibilidade à doenças foliares, maior necessidade tratamentos contra estresses bióticos e abióticos, suscetibilidade à quebra de ramos, espaços vazios por grande tempo no pomar quando da retirada ou morte de um indivíduo adulto, árvores muito altas (dificultando operações de colheita e tratos culturais). No Brasil, esta poda ainda não é usual devido aos altos custos de execução, e pelas dificuldades de mecanização, uma vez que a prática ainda não é bem estudada para nossas condições. Entretanto, muitos produtores optam pela chamada poda seletiva, em que ramos considerados não produtivos, mais sombreados ou que estejam oferecendo maiores barreiras à insolação são retirados a fim de ventilar as copas.
Independentemente do tipo de poda e condução adotado no pomar, a quantidade de resíduos é bastante expressiva e, na maioria das vezes, é descartada e retirada da área, ou triturada e espalhada nos pomares, o que pode ser considerado um desperdício de biomassa vegetal, além de riscos de focos para inóculo de patógenos. Um estudo realizado por Kallestad et al. (2008) no estado do Novo México (EUA) contabilizou as quantidades de material verde de cerca de 8,65 ton/ha (convertido de ton/acres) de resíduo de poda em pomares em que podas de manutenção eram realizadas e de cerca de 20,75 ton/ha em pomares onde podas estruturais corretivas eram realizadas. Segundo os mesmos autores, a biomassa anual estimada variou de 12.791 a 41.523 BDT, variando de acordo com os cenários de operações de poda no pomar, o que os autores ressaltam que, embora não seja suficiente como fonte única para produção de energia, poderia ser otimizado já que é crescente a demanda pela substituição de uso de combustíveis fósseis e para autonomia de produção de energia no país. Além disso, os autores ressaltam que, normalmente esses resíduos são queimados no pomar, resultando em reclamações quanto à fumaça e preocupação dos prejuízos ambientais da queima na região.
Em razão da pressão pela substituição de combustíveis de fontes não-renováveis, toda biomassa vegetal pode ser potencial para uso como fonte energética. Resíduos de poda de outras espécies perenes têm sido explorados para este fim. Brand e Jacinto (2020) utilizaram os resíduos da poda da maçã do sul do Brasil para produção de pellets e compararam com materiais comerciais de madeira de pinus, e verificaram que o produto produzido por resíduos da mação possuem maior quantidade de biomassa por unidade de volume, mas também têm menor tempo de residência nos sistemas de queima e um dos potenciais produtos produzidos no estudo utilizou a mistura de resíduos de ambas as culturas. Estudos sobre a temática em diferentes países já foram realizados e, conforme estudo realizado na Grécia, com resíduos de poda como biomassa de oliveiras e laranjeiras, por Sagani et al. (2019), ressaltam que essa alternativa é viável, desde que haja um esforço conjunto para organização do recolhimento do material em propriedades espalhadas pelo país.
Diante desta perspectiva, verifica-se que o estado do Rio Grande do Sul, por ser o maior produtor nacional de nogueira-pecan, está desperdiçando um resíduo que pode ter usos mais sustentáveis e com valor econômico agregado, portanto há necessidade de investigação das características deste material como fonte de matéria-prima para produção de biomassa para energia.

Metodologia

Ação 1 – Pesquisa: Levantamento dos resíduos por área

a) Origem do material

O material será proveniente de produtores rurais de propriedades no entorno da cidade de Pelotas e eventualmente em outras regiões do Rio Grande do Sul, uma vez que os membros da equipe estão vinculados à outros projetos relacionados à produção de nogueira-pecan no estado. Os locais serão definidos e mapeados após acordo entre a equipe.
Em cada local de coleta serão levantados dados básicos: informações de georreferenciamento, idade do pomar, tratos culturais (poda, desbaste, adubação, irrigação, etc), espaçamento entre árvores.

b) Avaliação de quantidade de resíduos por área

Em cada árvore podada, será feita a contabilização por peso de material colhido. Os ramos serão seccionados para facilitar a pesagem. Serão contabilizados ao menos 10 plantas por pomar e, após, será feita a extrapolação para hectare de acordo com o número de árvores/ha, conforme espaçamento adotado. Esse valor será de massa fresca do material. Para cálculo da massa seca, os resíduos serão deixados para secagem ao ar livre por cerca de seis meses.

Ação 2 – Pesquisa: Caracterização física e térmica do resíduo de poda

As análises das propriedades físicas e térmicas dos resíduos serão realizados nos Laboratórios: 1) Laboratório de Bioenergia sala 100 do edifício Cotada Centro de Engenharias da Universidade Federal de Pelotas; e 2) Laboratório de Propriedade Físicas da madeira no curso de Engenharia Industrial Madeireira-UFPel.
Para cada análise serão confeccionados os corpos-de-prova correspondentes que serão colocados para aclimatar em sala climatizada a 60% de umidade relativa do ar e 20°C±2°C até peso constante a fim de que o material seja homogeneizado na umidade de equilíbrio da madeira, que fica em torno de 12%.

a) Densidade da madeira

Para o cálculo da densidade básica da madeira serão confeccionadas amostras oriundas de galhos com dimensões de diâmetro superior a 5 cm, de ambas as espécies, com dimensões de 2,4 x 2,5 x 10 cm, os quais foram previamente aclimatizados a 12% como descrito no item anterior.
As amostras serão inicialmente imersas em água para saturação até atingirem peso constante. Após a determinação do volume, as mesmas serão acondicionadas em estufa a temperatura de 103 ± 2° para secagem, até peso constante. Com isso, será calculada a massa específica básica e a aparente a 12%, conforme equações 4 e 5, através das recomendações descritas pela ASTM D239, 2005. Estas variáveis serão mensuradas com auxílio de uma balança analítica de precisão 0,01 g e paquímetro digital de precisão 0,001 mm.

ρ_(ap,12%)=M12/V12 ρ_( 0%)=M0%/Vsat

Em que: M12 = massa da madeira a 12% de umidade, em g; V12 = volume da madeira a 12% de umidade, em cm 3; M0% = massa da madeira a 0% de umidade, em g; Vsat = volume da madeira saturado, em cm3.

b) Teor de umidade da madeira e das partículas

Com a madeira já aclimatizada em torno de 12%, será feita a determinação precisa do teor de umidade das partículas, por meio de quatro amostras de cada pomar, moídas em um moinho de facas, onde serão previamente acondicionadas em cadinhos e depois pesadas em balança analítica com um peso de 1,5 g para obter o seu peso úmido (mL). Após, serão secas em estufa por 20 h com circulação forçada de ar em temperatura de 105ºC. Os cadinhos serão colocados em dessecadores, para garantir que não absorvam umidade, deixando resfriar por 30 minutos. Em seguida serão pesados novamente em balança analítica obtendo o peso seco (m2) das amostras, determinando os teores de umidade pela Equação 1.

TU=(M1-M2)/M2 (1)
TU= Teor de Umidade (%) M1= Peso úmido (g) M2= Peso seco (g)

c) Poder calorífico Superior (PCS)

Será determinado por meio de 10 amostras de 0,5 g de madeira previamente moída referente a cada pomar. As amostras serão inseridas em um calorímetro isoperibólico, modelo PARR 6200. No reator será inserida a amostra pesada em cadinho, o fio de combustão será amarrado devendo ficar em contato com a mesma. Depois o reator é fechado e preenchido com gás oxigênio por 30 segundos.
Logo em seguida, os cabos de ignição serão conectados ao reator. Após a combustão, o resultado é obtido e lido diretamente no visor do equipamento. Os resultados são expressos em Kcal/kg obtendo-se o PCS.

d) Teor de cinzas, conteúdo de Extrativos e Lignina

O teor de cinzas será calculado de acordo com a norma TAPPI T-211 om-85 25 (Tappi 1999). A média será obtida através da realização de quatro repetições. As amostras de resíduos de poda serão moídas em moinho Willey, até se transformarem em serragem. As amostras moídas serão classificadas em peneiras de 40/60 mesh, através de um peneiramento manual, das quais serão selecionadas as que ficaram retidas na peneira de 60 mesh. Para a determinação do teor de extrativos será utilizado 2,0 g de amostra anidra, a qual será seca em estufa a 100 °C por 24h. Os solventes serão diclorometano e etanol/tolueno (1:2), de acordo com a norma TAPPI T 204 om-88. A média será obtida por meio da realização de quatro repetições.
O teor de lignina Klason insolúvel será determinado conforme a norma TAPPI T 222 om-98, a partir de 1,0 g de amostra anidra e livre de extrativos, também com quatro repetições.

e) Análise Termogravimétrica (TGA)

Amostras serão avaliadas sob elevada temperatura pela análise termogravimétrica (TGA) e as respectivas derivadas (DTG), através do equipamento TGA-60 da Shimadzu, a partir de 30°C até a temperatura máxima de 900ºC, com taxa de aquecimento de 10°C/minuto, sob atmosfera de gás nitrogênio. Para cada análise, serão utilizadas porções de serragem de 4 mg. A granulometria da serragem será padronizada e passada em peneiras de 200 e de 270 mesh (ASTM, 1974), utilizando-se para as análises a fração retida nesta última.
Com base na massa inicial de cada amostra, serão calculadas as perdas de massa, expressas em porcentagem, subtraindo-se do valor da massa final obtida em intervalos de temperatura (30 a 900 ºC). Posteriormente, serão gerados termogramas, utilizando-se o programa estatístico disponível para o equipamento, e, a seguir, as funções obtidas serão interpoladas e derivadas.

f) Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)

Amostras sólidas de 10 x 10 x 10 mm (radial, tangencial, longitudinal) em equilíbrio higroscópico (12% umidade), serão homogeneizadas e moídas em um moinho de facas equipado com uma peneira. Serão avaliadas por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier acoplada a um dispositivo de reflexão total atenuada (ATR-FTIR) em um equipamento Jasco 4100.

Ação 3 – Ensino: Aula prática disciplina 15000744 - MANEJO DOS RECURSOS FLORESTAIS

a) Visita técnica e tarefa extra-classe

Visita em uma das áreas de coleta de resíduos a fim de explicar como o sistema funciona, reconhecimento da espécie e abordagem das potencialidades do material produzido. Após a visita, realização de tarefa extra-classe pelos alunos para desenvolvimento de material contendo os pontos positivos e os desafios para superar os problemas identificados no fornecimento do material residual. No caso da impossibilidade de realização de visita técnica na área, exposição dos alunos ao material residual e acompanhamento de análise de propriedades do resíduo de poda nos laboratórios descritos na Ação 2.

b) Elaboração de material didático

Com a compilação das atividades extra-classe realizadas pelos alunos e as informações coletadas até o momento em relação às Ações 1 e 2, será elaborada uma cartilha para posterior apresentação aos produtores de nogueira-pecan.

Ação 4 – Extensão: Palestra aberta à comunidade externa e produtores sobre uso do resíduo de poda de nogueira-pecan

Será realizado um curso de curta duração com os produtores envolvidos com o projeto e demais membros da comunidade acadêmica e público externo interessado para apresentação dos resultados do projeto. Esse curso será organizado e ministrado, em parte, por discentes envolvidos nas ações de pesquisa e ensino do projeto sob coordenação da coordenadora do projeto unificado.
O período ideal de realização do curso seria o período de poda dos pomares, compreendido entre junho a setembro.
Desta ação, pretende-se, dependendo dos resultados de qualidade do material, sugerir os produtos para os próximos processos a serem realizados com o material, como a produção de pellets, por exemplo.

Indicadores, Metas e Resultados

Primeiramente teremos o resultado da quantidade de resíduos médio disponível por área de coleta que fornecerá subsídios para estimativas de quantidade de material existente e com potencial de utilização para uso energético de resíduos de poda de nogueira-pecan, considerando área total de plantio do estado do Rio Grande do Sul.
Na segunda ação, teremos a caracterização térmica deste material, com a qual poderemos fazer comparações com outros materiais de biomassa florestal.
As ações finais, terceira e quarta, têm como indicador a formação de recursos humanos capacitados, tanto de discentes pertencentes às instituições participantes do projeto, quanto da comunidade que poderá se apropriar dessas informações.
No final das etapas, além do material didático, também se propõe que, ao menos um artigo cientifico seja submetido para publicação com os resultados do estudo. Porém, espera-se que outras publicações, também possam ser elaboradas pelos discentes envolvidos no projeto.
Esse projeto unificado é uma tentativa de abertura de nova perspectiva de utilização de um material proveniente de uma cultura importante para o estado e que pode estar sendo negligenciada na sua utilização. Por isso, espera-se que, ao final, novas ações possam ser adicionadas para as etapas de elaboração de produtos, como a fabricação de pellets e/ou briquetes.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
CARLOS ROBERTO MARTINS
CLAUDIA FERNANDA LEMONS E SILVA1
CRISTIANO GEREMIAS HELLWIG
Claudimar Sidnei Fior
DIULIANA LEANDRO2
DOUGLAS CORREA MIGUES
HENRIQUE VAHL RIBEIRO
KELVIN TECHERA BARBOSA
MARCELO BARBOSA MALGARIM1
Marília Lazarotto5
RAFAEL BELTRAME1
ROBSON ANDREAZZA1
VITORIA SOUSA FERREIRA

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