Nome do Projeto
Desenvolvimento tecnológico para aumento da competitividade do agricultor familiar ligado à cultura do arroz no país
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
22/02/2021 - 28/04/2023
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Engenharias
Resumo
Uma premissa importante do presente estudo é que a tecnologia para extração de sílica a partir da casca de arroz deve resultar acessível ao público alvo a que se destina: agricultores familiares ou, principalmente, cooperativas de agricultores familiares ligados ao cultivo do arroz em todo o país. O destaque para cooperativas se deve ao fato de que elas devem reter a casca que resulta do beneficiamento do arroz provido pelos agricultores familiares a ela cooperados. Ao longo da última década, inúmeras cooperativas foram contempladas com máquinas ou tiveram acesso a usinas para beneficiamento do arroz por governos estaduais, fato que permitiu aos agricultores familiares a ela cooperados agregar valor aos produtos que ofereciam. Um exemplo disso se dá por simples consulta ao programa “Vitrine da Agricultura Familiar” – uma iniciativa da SAF (Secretaria de Agricultura Familiar) para ampliar a visibilidade dos produtos oriundos da agricultura familiar que recebem a identificação com o Selo Nacional da Agricultura Familiar (SENAF) – onde constam 56 cooperativas de todo o país que oferecem arroz ao mercado consumidor com rastreabilidade de origem. Uma delas é a Coperav (Cooperativa dos Produtores Orgânicos da Reforma Agrária de Viamão), do Rio Grande do Sul, recém contemplada com recursos do PRONAF (Programa Nacional de Fortalecimento da Agricultura Familiar) para a conclusão da usina de beneficiamento que lhe permitirá economizar um montante significativo atualmente comprometido pelo beneficiamento de sua produção por terceiros, além de habilitá-la ao aproveitamento dos subprodutos do arroz. Somam-se a todo esse aparato os programas do governo federal para o subsídio da agricultura familiar, como PNAE (Programa Nacional de Alimentação Escolar) e PAA (Programa de Aquisição de Alimentos), cada qual com modalidades distintas para compra dessa produção agrícola com fins de proteção social e regulação dos preços mínimos pagos aos produtores, além de eventuais isenções de ICMS, como ocorre no Estado do Rio Grande do Sul, por exemplo, para cooperativas de agricultores familiares ligadas à cultura do arroz. No entanto, isso parece não ser o bastante: o Censo Agropecuário de 2017 mostrou que, em relação aos dados de 2006, houve redução de 9,5 % no número de estabelecimentos ligados à agricultura familiar e de 17,6 % do pessoal por ela ocupado, apesar de a área plantada enquadrada nessa categoria não ter se alterado de modo significativo. Parte dos produtores tem buscado trabalho externo à lavoura, assim como pessoas de suas famílias, por vezes, motivados pela insuficiência de renda para todos, o que justifica este estudo. Mais ainda, no caso da cultura do arroz, em específico, as dificuldades estão presentes pela migração para a cultura da soja, a qual tem tido preços mais atraentes para o agricultor por muitos anos, além da concorrência com o arroz produzido no Paraguai a custos mais baixos. Nesse contexto, os impactos positivos deste estudo tendem a beneficiar o agricultor familiar a gerar mais renda por meio do aproveitamento dos produtos que se originam da casca do arroz.

Objetivo Geral

Desenvolver uma máquina capaz de integrar as operações unitárias que permitam extrair sílica e outros produtos com valor de mercado, a partir da casca de arroz, de modo a permitir aumento de renda ao agricultor familiar com impactos positivos para sua manutenção na atividade rural e para a criação de uma economia circular baseada e voltada para a cultura do arroz, alimento que compõe o prato de todo o povo brasileiro.

Justificativa

Em sua publicação intitulada “A Cultura do Arroz” de 2015, a CONAB (Companhia Nacional de Abastecimento) destacou o pioneirismo do município de Pelotas que, em 1904, protagonizou a primeira lavoura empresarial de arroz no país, já então irrigada. Esse pioneirismo na agricultura, mais tarde, deu origem à Universidade Rural do Sul em 1960, sob a tutela da hoje centenária Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel, que, quase uma década depois, em 1969, redundou na fundação da Universidade Federal de Pelotas (UFPel). Ao longo desses 50 anos de história, a UFPel expandiu suas atividades, contando hoje com 96 cursos de graduação presenciais em 22 unidades acadêmicas, entre as quais o Centro de Engenharias (CEng), que abriga o projeto de extensão no âmbito do Laboratório de Análise de Desempenho e Desenvolvimento de Estruturas e Materiais (LADDEM) que encabeça este estudo.
Por sua vez, o desenvolvimento proposto no presente estudo se justifica pela possibilidade de aproximar os agricultores familiares da cultura do arroz e cooperativas afins de uma tecnologia que lhes permita gerar renda a partir do que hoje se considera um subproduto: a casca do arroz. A importância disso se depreende da manchete recém publicada no sítio eletrônico da CONAFER (Confederação Nacional de Agricultores Familiares e Empreendedores Familiares Rurais), frente à alta no preço do arroz em função da pandemia: “preço do arroz só não é maior por causa da agricultura familiar”. No entanto, conforme dados do Censo Agropecuário divulgados pelo IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística), a participação do agricultor familiar na produção de arroz in natura caiu de 33,1 % em 2006 para apenas 10,8 % do total produzido em 2017. No Estado onde se concentra mais de 70% da produção brasileira de arroz, o Rio Grande do Sul, os dados do Censo também mostram redução na participação do agricultor familiar gaúcho para a produção desse grão: de 10 % em 2006 para menos de 6 % em 2017. Isso corrobora com a tese de que a defasagem tecnológica ou a perda da competitividade do agricultor familiar pode levar ao abandono da atividade, nesse caso de um produto que compõe a base da alimentação de um país inteiro, proporcionando cada vez mais a concentração de grupos econômicos.
No que diz respeito à tecnologia supracitada, resulta do trabalho e dedicação por duas décadas do Prof. Hebert Rossetto, vinculado ao CEng-UFPel, e componente da equipe deste estudo, para o qual sua expertise será transferida para a consecução dos objetivos em tela. Trata-se de uma tecnologia que privilegia a extração da sílica contida na casca de arroz, cujo teor pode superar 20 % em peso seco da casca, em detrimento de outras tecnologias que visam apenas aproveitar a casca de arroz como biomassa para termoeletricidade. A diferença é que neste último caso a temperatura é elevada para alcançar a maior eficiência na cogeração de energia elétrica e disso resulta um resíduo volumoso com características pouco desejáveis pelo mercado em geral, ao passo que a tecnologia preconizada neste estudo se vale de um processamento controlado para que, além da sílica de ótima qualidade, sejam recuperados outros dois subprodutos com valores comerciais: extrato pirolenhoso e alcatrão vegetal. Por meio dessa tecnologia, cada tonelada de casca seca de arroz dá origem a: até 250 kg de sílica, com valor em torno de 1 US$/kg; cerca de 250 L de extrato pirolenhoso, com valor em torno de 2,00 R$/L a granel, utilizado como ativador de fertilizantes em lavouras de grãos como soja, trigo, milho e feijão, além do próprio arroz; e até 100 kg de alcatrão vegetal, com valor de 3,00 R$/kg. Com base no câmbio e cotação da saca de arroz atuais, o agricultor familiar ou cooperativa afim poderia, praticamente, dobrar a receita que atinge pela venda do grão, a partir da exploração da tecnologia que se pretende viabilizar a esse público alvo, tornando-se mais competitivo e resiliente às variações do mercado e safra da cultura do arroz.
Vale ressaltar, ainda, que a sílica obtida por meio da tecnologia aqui proposta pode competir em condições de igualdade pelo mercado de seu mineral congênere, a diatomita, cuja demanda no mercado nacional, de acordo com dados do último Sumário Mineral publicado pela Agência Nacional de Mineração (ANM), vem crescendo a taxas superiores à 40 % ao ano. Por esse mesmo Sumário, depreende-se que o Brasil produz apenas 40 % da diatomita que consome, a qual tem uso nas indústrias de: bebidas, como elemento de filtração; petroquímica, como absorventes e adsorventes; tintas, vernizes e polímeros, como cargas; farmacêuticas, biomédicas e de higiene pessoal, para fins diversos. Portanto, além de dobrar a receita do agricultor familiar, de substituir importações e de favorecer a economia circular para a cultura do arroz no Brasil, a tecnologia que se pretende viabilizar neste estudo, com o apoio do Ministério do Desenvolvimento Agrário (MDA) brasileiro, representado pela Secretaria de Agricultura Familiar e Cooperativismo (SAF), tende a gerar riqueza por meio de conhecimento desenvolvido no país e, assim, se configurar como um exemplo bem sucedido para a multiplicação de iniciativas similares em todo o país.

Metodologia

A sílica desempenha o papel de reforço mecânico na planta do arroz, chegando também à casca para proteger o grão, onde pode se acumular em percentuais elevados – a depender do solo e da forma de plantio, ou seja, sequeiro ou alagado – entremeando-se à celulose que compõe a parede celular da casca. Dessa forma, a sílica permanece em íntimo contato com sais minerais importantes para o metabolismo da planta, os quais se transformam em fundentes para a sílica caso a casca de arroz seja exposta a temperaturas elevadas, comum quando utilizada como mera biomassa para termoeletricidade. Por isso, a sílica da casca de arroz atualmente disponível no mercado é escura, pois possui carbono ocluso nas partículas, resultado da queima descontrolada desse resíduo agrícola, além de prescindir da pureza e da área superficial específica (área que cobre a superfície das partículas por unidade de massa) adequadas às possíveis aplicações. Essa decisão de utilizar a casca de arroz como biomassa para termoeletricidade, sendo que a média nacional atual das tarifas básicas de energia elétrica divulgadas pela ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) é de 0,60 R$/kWh, pode gerar receita inferior a R$ 200 por tonelada de casca seca, valor este, no mínimo, dez valor mais baixo que a receita passível de ser obtida quando a sílica passa a ser protagonista em relação à casca de arroz. Isto posto, para viabilizar a extração de sílica da casca de arroz, algumas operações unitárias são necessárias, a saber: (i) destilação seca da casca de arroz – essa operação se assemelha à torrefação do café, ficando a casca sujeita à temperatura inferior a 250 °C, de modo a impedir a combustão espontânea dos gases que se geram pela decomposição da celulose e lignina, por tempo suficiente para fragilizar a casca de arroz. Ao contrário da torrefação do café, na qual os gases geralmente são queimados, propõe-se aqui a condensação da fração condensável desses gases, cujo líquido, por meio de decantação ou centrifugação, dá origem a uma fase viscosa, dita alcatrão de origem vegetal, e outra fluída, conhecida como extrato pirolenhoso, ambos com valores de mercado significativos. A fase sólida que resulta dessa operação é uma mistura de sílica, que se mantém amorfa, com negro de fumo (carbono elementar), porém frágil. A amorficidade é uma característica importante para a sílica, pois reduz a energia de ativação quando utilizada como reagente em processos industriais, além de evitar problemas relacionados à doenças de saúde ocupacional, como a silicose, por exemplo, constantemente relacionada às sílicas cristalinas; (ii) para manter tal amorficidade, a etapa que segue se vale da fragilidade conseguida previamente para reduzir o tamanho das partículas, e, assim, otimizar a transferência de calor na queima final, em temperatura de até 600 °C, por um curto tempo de residência no interior de um forno com zona fluidizada. Em outras palavras, a queima da mistura entre sílica e negro de fumo se dá num forno em que o calor é direcionado a uma região para a qual esse material é lançado contra por meio de dois eixos que rotacionam em sentidos opostos, sendo que cada eixo possui insertos que forçam o movimento cíclico do pó para melhor eficiência da queima, além da redução do tamanho das partículas enquanto o pó recebe o impacto dos insertos e/ou passa pelo espaço entre os insertos e a parede do forno. O material resultante é uma sílica branca em pó, passível de moagem para que a granulometria desejável a cada aplicação seja alcançada, obtendo-se assim área superficial específica superior à 70 m2/g e pureza acima de 96%, o que lhe habilita a disputar os mesmos mercados atuais para a diatomita, por exemplo, sem que resulte nenhum resíduo ao longo desse processo.
Para tanto, essas operações unitárias serão agregadas na sequência acima descrita e dentro de um container, de modo a compor uma máquina compacta, com recirculação do ar quente no circuito durante a batelada, e, ao final, troca de calor do ar quente com água que se aquecerá para servir a outras finalidades ao agricultor ou cooperativa, como por exemplo, parboilização do arroz. A geração de calor para as operações unitárias será estudada com base em lenha, gás natural ou GLP e diesel. Espera-se alcançar duas bateladas por hora, cada batelada com 100 kg de casca de arroz para extração de sílica, em adição ao extrato pirolenhoso e alcatrão vegetal. A automação da máquina, alimentada por silo, pode tornar a produção contínua, com informações em tempo real por telemetria. Essa automação será baseada em dispositivos IoT (Internet das coisas) controlados por um software em ambiente LabView (National Instruments) programado pelo coordenador do estudo. Partindo da premissa de que essa máquina deve resultar no custo mais baixo possível, algumas simulações de fluxo em temperatura ambiente serão realizadas em escala reduzida por impressão 3D, a partir de projeto em software compatível, e os resultados nortearão as aquisições de componentes - queimadores, sopradores, rotores, motores, válvulas e tubos, entre outros - para a escala definitiva. Os trabalhos de calderaria (corte, dobra, solda, etc) serão desenvolvidos juntamente a prestadores de serviços habilitados. Uma vez concluída a construção da máquina, sua posta em marcha tende a permitir seu aperfeiçoamento e obter amostras dos produtos supracitados para as devidas caracterizações físico-químicas e mecânicas junto a instituições acreditadas para tanto, quando indisponíveis nas unidades da UFPel. Por fim, a aproximação com cooperativas para teste in loco nos Estados com as maiores produções de arroz do país, a saber, Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Tocantins, Maranhão e Mato Grosso, tendem a incrementar a usabilidade e os aspectos necessários à manutenção para conclusão do projeto final da máquina.
Ressalta-se que o resultado tecnológico obtido, isto é, a máquina a ser desenvolvida, será objeto de prévia notificação à CIT (Coordenação de Inovação Tecnológica da UFPel) para adoção da respectiva proteção intelectual cabível, seja na forma de pedido de patente ou modelo de utilidade, anteriormente à sua divulgação para terceiros, de forma a garantir a gestão pública da tecnologia, inclusive, se for o caso, sua disponibilização (via licenciamento) com custo subsidiado ou zero para cooperativas de agricultores familiares. O processo de eventual negociação com terceiros para construção de protótipos e mesmo da própria máquina ou de partes dela sempre ocorrerá com o devido acompanhamento pela CIT, conforme determina a Política de Inovação da UFPel vigente, visando garantir a segurança do patrimônio tecnológico e capital intelectual da instituição e a redução do risco de apropriação indevida por terceiros da referida tecnologia, ou de partes dela.

Indicadores, Metas e Resultados

(1) Adaptação do espaço físico para o desenvolvimento das atividades concernentes ao estudo;
(2) Prototipagem das operações unitárias concernentes à tecnologia em tela, de modo a simular em escala reduzida o funcionamento da máquina, com vistas à escolha dos componentes que atendam aos princípios da simplicidade de operação e redução de custos;
(3) Construção das partes, montagem, automação e posta em marcha da máquina na condição piloto e em escala real, para a aproximação da tecnologia com as cooperativas de agricultores familiares ligados à cultura do arroz;
(4) Caracterizações físico-químicas e mecânicas dos produtos obtidos a partir da casca de arroz – a saber: sílica, extrato pirolenhoso e alcatrão vegetal – para as orientações técnicas relativas à inserção desses produtos nos respectivos mercados com potenciais demandas;
(5) Disponibilização e capacitação de pessoal técnico para multiplicar a tecnologia nos Estados que representam a maior produção de arroz do país, a saber: RS, SC, TO, MA e MT.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
HEBERT LUIS ROSSETTO30
LUCAS DA SILVA
RAFAEL DE AVILA DELUCIS4
VANESSA SACRAMENTO CERQUEIRA4

Fontes Financiadoras

Sigla / NomeValorAdministrador
MAPA / Ministério da Agricultura, Pecuária e AbastecimentoR$ 1.011.070,00Fundação Delfim Mendes da Silveira

Plano de Aplicação de Despesas

DescriçãoValor
339018 - Auxílio Financeiro a EstudantesR$ 64.800,00
339020 - Auxílio Financeiro a PesquisadorR$ 134.400,00
339030 - Material de ConsumoR$ 180.000,00
339036 - Outros Serviços de Terceiro - Pessoa FísicaR$ 20.000,00
339039 - Outros Serviços de Terceiro - Pessoa JurídicaR$ 371.870,00
449051 - Obras e InstalaçõesR$ 40.000,00
449052 - Equipamentos e Material PermanenteR$ 200.000,00

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