Python-Based Process Modelling and Optimisation of Pyrolysis Valorisation of Palm Kernel Shells and Empty Fruit Bunches for Biochar Production: A Circular Economy Assessment

No coração da indústria de óleo de palma de Gana, uma quantidade massiva de resíduos é gerada todos os dias. Para cada tonelada de fruto colhido, o processo deixa para trás dois tipos distintos de resíduos: fragmentos duros, semelhantes a cascas, provenientes da noz e grandes cachos fibrosos que outrora sustentavam o fruto. Atualmente, a maior parte deste material é deixada para apodrecer ao ar livre ou é queimada, uma prática que liberta fumo e gases de efeito estufa para a atmosfera, enquanto desperdiça um recurso valioso. Cientistas sabem há muito tempo que estes restos poderiam ser transformados em algo útil através de um processo chamado pirólise. Este é um método onde a biomassa é aquecida na ausência de oxigénio, decompondo-se num material sólido, rico em carbono, conhecido como biochar, juntamente com gases e óleos. O biochar é uma substância versátil; pode melhorar a saúde do solo, filtrar a água e aprisionar o carbono que, de outra forma, aqueceria o planeta. No entanto, transformar este potencial numa realidade fiável exige saber exatamente como operar o processo. A temperatura e o tempo de aquecimento do material são críticos, mas encontrar o equilíbrio perfeito para estes resíduos específicos de Gana tem sido difícil sem experiências de tentativa e erro caras e demoradas num laboratório.

Uma equipa de investigadores de universidades ganesas adotou uma abordagem diferente, utilizando o poder da modelação computacional para resolver este enigma. Em vez de queimarem milhares de toneladas de cascas e cachos num laboratório físico, construíram uma simulação digital detalhada utilizando Python, uma linguagem de programação popular para trabalho científico. Criaram um modelo virtual que mimetiza a forma como as diferentes partes do resíduo de palma — celulose, hemicelulose e lignina — reagem quando aquecidas. Ao alimentar este modelo com dados de literatura científica existente, foram capazes de prever quanto biochar seria produzido sob várias condições. Para garantir que as suas previsões eram robustas, executaram milhares de cenários simulados, introduzindo pequenas variações aleatórias na composição dos resíduos e nas condições de operação. Isto permitiu-lhes ver não apenas um único resultado, mas um intervalo de resultados prováveis, contabilizando as inconsistências naturais encontradas na agricultura real. Utilizaram depois técnicas matemáticas avançadas para procurar o conjunto único de condições que maximizaria a produção de biochar, garantindo simultaneamente que este cumprisse normas rigorosas de conteúdo de carbono.

As simulações revelaram um caminho claro e consistente a seguir. Os investigadores descobriram que a qualidade do produto final é o fator mais importante que limita o processo. Para produzir biochar de qualidade premium, adequado para mercados de alto valor e esquemas de créditos de carbono, o material deve conter pelo menos 60 por cento de carbono fixo. Este requisito obriga o processo a operar a uma temperatura específica, em torno de 393 graus Celsius. Se a temperatura for demasiado baixa, o biochar será demasiado impuro; se for demasiado alta, o material sólido decompõe-se em gases, reduzindo a quantidade total de produto. O modelo determinou que, nesta temperatura ideal, as cascas da noz de palma precisam de ser aquecidas durante cerca de 50 minutos, enquanto os cachos de fruta vazios requerem um tempo ligeiramente superior, de 57 minutos. Sob estas condições precisas, o processo produz um rendimento de biochar de 42,2 por cento para as cascas e de 38,5 por cento para os cachos. A análise também destacou que a quantidade de lignina nos resíduos é a maior fonte de incerteza; como a lignina é a parte mais resistente ao calor da planta, as variações no seu conteúdo têm o maior efeito sobre a quantidade de produto final obtida.

Quando os investigadores aplicaram estas conclusões a uma típica unidade de processamento de palma em Gana, o cenário económico e ambiental tornou-se surpreendentemente claro. Uma unidade padrão que processa dez toneladas de cachos de fruta por hora gera resíduos suficientes para produzir mais de 5.500 toneladas de biochar anualmente. Isto não é apenas um número teórico; representa uma mudança tangível da gestão de resíduos para a criação de recursos. O estudo calculou que, ao mudar da queima ao ar livre para este método de pirólise, uma única unidade poderia evitar a libertação de aproximadamente 31.854 toneladas de equivalente de dióxido de carbono por ano. Este benefício provém de duas fontes: o carbono que é permanentemente aprisionado no biochar e as emissões que são evitadas ao não queimar os resíduos ao ar livre. Financeiramente, o panorama é igualmente promissor. Mesmo sob suposições de mercado conservadoras, onde o biochar é vendido por um preço modesto e os créditos de carbono são baixos, a operação gera lucro líquido. Em cenários de mercado mais favoráveis, a receita anual poderá atingir mais de três milhões de dólares americanos. Os cachos de fruta vazios, que são mais abundantes do que as cascas, impulsionam a maior parte deste valor económico, tornando-se o principal motor para uma economia circular no local da unidade de processamento.

O estudo conclui que este quadro computacional oferece um roteiro fiável para a comercialização da produção de biochar a partir de resíduos de palma no oeste de África. Os investigadores demonstraram que é possível identificar as condições operacionais exatas necessárias para um processo lucrativo e ambientalmente benéfico sem a necessidade de realizar primeiro experiências físicas exaustivas. A única grande restrição é a necessidade de manter a alta qualidade de carbono exigida pelos padrões internacionais, o que dita a temperatura e o tempo. Embora o modelo computacional forneça uma base sólida, os autores observam que trabalhos futuros devem incluir testes em escala piloto em Gana para confirmar estes resultados sob condições operacionais locais e para analisar o ciclo de vida completo da tecnologia. Por agora, a simulação prova que o que era antes considerado um resíduo problemático pode ser transformado num ativo valioso, convertendo um significativo passivo ambiental numa fonte de energia limpa, melhoria do solo e crescimento económico.