Avaliação da sustentabilidade da produção de celulose bacteriana através de uma comparação de avaliações de ciclo de vida

Sara Felgueiras Branco Avaliação da Sustentabilidade da Produção de Celulose Bacteriana através de uma comparação de Avaliações de Ciclo de Vida outubro de 2022 Avaliação da Sustentabilidade da Produção de Celulose Bacteriana através de uma comparação de Avaliações de Ciclo de Vida Sara Felgueiras Branco UMinho | 2022 Sara Felgueiras Branco Avaliação da Sustentabilidade da Produção de Celulose Bacteriana através de uma comparação de Avaliações de Ciclo de Vida Dissertação de Mestrado em Engenharia Química e Biológica Trabalho realizado sob orientação de Professor Miguel Gama Professor Fernando Dourado outubro de 2022 iii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. iv Agradecimentos Ao Professor Miguel Gama pela orientação e disponibilidade constante ao longo de todo o estágio curricular, também por ajudar a encontrar soluções ao longo de todo o estudo desenvolvido e na realização da presente dissertação. Ao Professor Fernando Dourado pela dedicação e sugestões para melhorar e aperfeiçoar o estudo comparativo e na realização da dissertação. Ao Engenheiro André Mota por ensinar, ajudar e sugerir formas de utilizar o software, que foi crucial para o desenvolvimento deste estudo. À minha família pelo apoio durante todo o meu percurso acadêmico e por acreditar nas minhas capacidades. Aos meus amigos mais antigos que me deram força para continuar esta jornada e também às amizades que fiz ao longo destes 5 anos, em especial à Adriana Alves, pelo apoio moral e pedagógico que contribuíram para a conclusão do meu percurso acadêmico. v DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. vi Resumo A preocupação com as alterações climáticas e ameaças ambientais cada vez mais presentes nos dias que correm, obrigam as empresas a optar por processos e produtos “mais limpos”. Assim, avaliar e comparar os impactos ambientais associados a produtos e processos tem sido uma necessidade crescente. Num trabalho recente desenvolvido pela Satisfibre, estudaram a sustentabilidade da celulose bacteriana (no contexto da indústria têxtil) com base numa Avaliação de Ciclo de Vida (LCA), através da metodologia ReCiPe 2016. O objetivo do presente projeto foi complementar esse estudo, comparando os resultados obtidos com os disponíveis na literatura para a produção de celulose vegetal, com o intuito de determinar se existem diferenças significativas ao nível da sustentabilidade. Foi, primeiramente, realizada uma pesquisa bibliográfica, identificando artigos científicos e relatórios relevantes para a realização deste estudo. De seguida, fez-se o levantamento de informações relevantes de cada artigo e relatório e foram selecionados aqueles que melhor se ajustam à fronteira do sistema utilizado no processo de produção de CB. Os dados obtidos no estudo anterior da Satisfibre foram convertidos para a mesma metodologia usada na LCA de cada material estudado, usando o software GaBi Professional. Depois, foi realizada uma análise da variação das fronteiras do sistema para garantir que as condições de fronteira fossem comparáveis e efetuou-se a normalização dos dados, permitindo a comparação direta da informação produzida em diferentes estudos. Após análise dos vários artigos identificados, foram selecionados três artigos: um referente ao estudo de LCA de nanofibras de celulose (NFC); outro referente ao estudo de nanocristais de celulose (NCC) e um relatório relativo ao estudo de fibras de celulose artificiais (MMCF). A análise efetuada permitiu, concluir que o processo de produção de CB apresenta melhor desempenho a nível de sustentabilidade, em impactos na saúde, alterações climáticas e esgotamento fóssil, quando comparado com os processos de produção de nanofibras e nanocristais de celulose. Por outro lado, os processos de produção de fibras artificiais a partir de CB, pelos processos Viscose e Lyocell, apresentam um pior resultado a nível da sustentabilidade em comparação com os resultados apresentados no relatório referente a MMCF. Palavras-Chave: Celulose; Sustentabilidade; LCA; Celulose bacteriana; Celulose vegetal vii Abstract Concern about climate change and environmental threats increasingly present these days forces companies to opt for "cleaner" processes and products. Thus, evaluating and comparing the environmental impacts associated with products and processes has been a growing need. In a recent work developed by Satisfibre, they studied the sustainability of bacterial cellulose (in the context of the textile industry) based on a Life Cycle Assessment (LCA), through the ReCiPe 2016 methodology. The goal of this project was to complement this study by comparing the results obtained with those available in the literature to produce plant pulp, to determine whether there are significant differences in sustainability. Bibliographical research was first carried out, identifying scientific articles and reports relevant to the accomplishment of this study. Next, relevant information was collected from each article and report and those that best fit the boundary of the system used in the CB production process were selected. The data obtained in the previous study of Satisfibre were converted to the same methodology used in the LCA of each material studied, using the GaBi Professional software. Then, an analysis of the variation of the boundaries of the system was performed to ensure that the border conditions were comparable, and the normalization of the data was carried out, allowing the direct comparison of the information produced in different studies. After analyzing the various articles identified, three articles were selected: one referring to the study of LCA of cellulose nanofibers (NFC); another referring to the study of cellulose nanocrystals (NCC) and a report on the study of artificial cellulose fibers (MMCF). The analysis allowed us to conclude that the production process of CB presents better performance at the level of sustainability, in impacts on health, climate change and fossil exhaustion, when compared with the production processes of nanofibers and nanocrystals of cellulose. On the other hand, the processes of production of artificial fibers from CB, by the Viscose and Lyocell processes, present a worse result in terms of sustainability compared to the results presented in the MMCF report. Keywords: Cellulose; Sustainability; LCA; Bacterial cellulose; Plant pulp viii Índice 1. Contextualização e organização ........................................................................................ 14 1.1. Contextualização ....................................................................................................... 14 1.2. Objetivo ..................................................................................................................... 14 1.3. Estrutura da Dissertação ............................................................................................ 15 2. Introdução ......................................................................................................................... 16 2.1. Celulose ..................................................................................................................... 16 2.2. Fibras têxteis .............................................................................................................. 17 2.2.1. Algodão .............................................................................................................. 18 2.2.2. Fibras de Celulose Regeneradas (FCR) ............................................................. 19 2.3. Nanoceluloses (NC) ................................................................................................... 20 2.3.1. Celulose Bacteriana (CB) ................................................................................... 21 2.4. Avaliação do Ciclo de Vida (LCA) ........................................................................... 23 2.4.1. Definição do Objetivo e Projeto ......................................................................... 24 2.4.2. Inventário do Ciclo de Vida (LCI) ..................................................................... 24 2.4.3. Avaliação do Impacto do Ciclo de Vida (LCIA) ............................................... 24 2.4.4. Interpretação ....................................................................................................... 26 2.5. Metodologia ReCiPe 2016......................................................................................... 26 2.5.1. Método de Framework ....................................................................................... 27 3. Metodologia ...................................................................................................................... 32 3.1. Estudo Comparativo .................................................................................................. 32 3.2. Software GaBi Professional ....................................................................................... 33 3.3. Estudo da Satisfibre ................................................................................................... 33 4. Resultados e Discussão ..................................................................................................... 34 4.1. Seleção dos artigos para o estudo comparativo ......................................................... 34 4.1.1. Análise do artigo de Schultz et al (2017) ........................................................... 34 15 1.3. Estrutura da Dissertação A estrutura da presente dissertação é dividida em 7 capítulos: O capítulo 1 contextualiza o tema e apresenta os objetivos que se pretendem alcançar ao longo da realização do presente estudo comparativo, assim como apresentar a estrutura da dissertação. O Estado da Arte é apresentado no capítulo 2, onde são explicados conceitos teóricos sobre diversos materiais têxteis (celulose vegetal, nanoceluloses, algodão e fibras regeneradas (Man Made Cellulose Fibres - MMCF) com o intuíto de serem comparados com a Celulose Bacteriana. Numa segunda parte deste capítulo é abordado o conceito de Avaliação de Ciclo de Vida e também a Metodologia ReCiPe 2016, utilizada no estudo inicial da Satisfibre. No capítulo 3 (Metodologia) é descrito todo o processo que levou a cabo o estudo comparativo, desde a pesquisa bibliográfica à comparação de resultados. Em seguida, é ainda identificado o software utilizado (GaBi Professional) e é relatado o processo de execução do estudo de LCA da Satisfibre. O quarto capítulo (Resultados e Discussão) é dedicado à recolha de informações de todos os artigos analisados neste trabalho, resultados obtidos da comparação de LCA e discussão dos resultados. É ainda feita uma análise do impacto de certas partes do processo (como por exemplo o tratamento de águas), de modo a enquadrar as fronteiras de sistema utilizadas para o estudo, bem como uma normalização dos resultados, permitindo a sua comparação. No capítulo 5 (Conclusões) são descritas as conclusões deste estudo comparativo assim como algumas sugestões de melhoria para um estudo futuro. A seguir são apresentadas as Referências utilizadas para a concretização desta dissertação. Por fim, são apresentados os Anexos, onde estão exemplificados cálculos para a determinação dos impactos causados pela produção de MMCF (Anexo A), para os impactos ambientais causados para os novos processos de produção de CB (Anexo B) e para a normalização dos dados (Anexo C). 16 2. Introdução 2.1. Celulose A celulose é o polímero biodegradável mais abundante disponível, com uma capacidade total de produção estimada em 1011 a 1012 toneladas por ano. É um polímero com a fórmula (n)C6H10O5, descoberto em 1838 por Anselme Payen, cuja estrutura é representada na Figura 1. Este homopolímero linear é formado por unidades de D-anidroglucopiranose unidas por ligações glicosídicas (Foroughi et al. 2021). Figura 1 – Estrutura da Celulose (Foroughi et al. 2021). É um polímero resistente, fibroso e insolúvel em água devido às suas ligações de hidrogénio inter e intramoleculares. Desempenha um papel essencial na manutenção da estrutura das paredes celulares das plantas. É um polímero natural renovável, sendo considerado uma alternativa aos polímeros à base de combustíveis fósseis não degradáveis. As principais fontes de celulose são a madeira, cânhamo, algodão e linho e, também, bactérias como Acetobacter, Rhizobium, Agrobacterium, Sarcina, Pseudomonas, Achromobacter, Alcaligenes, Aerobacter e Azotobacter (Mohamed et al. 2017). Existem diversos materiais derivados das fibras de celulose, como indicado na Figura 2: nanofibras de celulose (NFC), nanocristais de celulose (NCC), acetato de celulose, celulose bacteriana (CB), celulose regenerada e hidrogeis/aerogeis de celulose (Mohamed et al. 2017). 17 Figura 2 – Diferentes tipos de materiais à base de celulose (Mohamed et al. 2017). 2.2. Fibras têxteis Existe crescentemente a necessidade de desenvolver abordagens verdes e sustentáveis em toda a cadeia de abastecimento da indústria têxtil. O crescimento populacional e o consequente aumento do consumo de fibras têxteis conduzem à procura de matérias-primas e processos sustentáveis. As fibras são o ponto de partida para todos os produtos têxteis e podem ser divididas em duas categorias: Fibras Naturais e Fibras Artificiais (Man-Made), conforme mostra a Figura 3. Até ao final do século XIX, todas as fibras têxteis produzidas eram de origem natural, principalmente de fontes vegetais como o algodão, cânhamo e linho, mas também de fontes animais como lã e seda. Com a Revolução Industrial, o processo de fabrico foi mecanizado e, a partir da década de 1900, surgiram as primeiras fibras artificiais. As fibras regeneradas, mais especificamente o método Viscose, tornou-se rapidamente o método de produção de fibras (man made) dominante do mercado têxtil. As fibras sintéticas surgiram apenas na década de 1940, feitas a partir de polímeros sintetizados quimicamente (Felgueiras et al. 2021). 18 Figura 3 - Classificação das principais fibras naturais e artificiais (Felgueiras et al. 2021). 2.2.1. Algodão O algodão é a fibra natural mais usada em todo o mundo, representando um terço do mercado têxtil entre 2000 e 2016. O cultivo de algodão é geralmente feito em áreas subtropicais e sazonalmente secas, nomeadamente no Hemisfério Norte. Os países mais comuns para o seu cultivo são a Índia, China, Estados Unidos, Brasil e Paquistão. O cultivo de algodão em Africa está representado na Figura 4, a título de exemplo. A produção de algodão exige cerca de 32 milhões de hectares de terras de cultivo em mais de 75 países em todo o mundo. O consumo global de algodão é de aproximadamente 31,8 milhões de toneladas, sendo mais de 20 milhões usadas na indústria têxtil (dados da FAO). Apesar de ser uma fibra natural, o algodão consome grandes quantidades de água e exige a utilização de fertilizantes e pesticidas em grandes quantidades para garantir o rendimento da produção, levando à eutrofização e toxicidade dos solos (Chen et al. 2021). Assim, a busca de outras fibras que possam substituir o algodão é uma das questões económicas e ambientais mais discutidas na indústria têxtil. As fibras de algodão recicladas têm atraído muita atenção devido ao seu valor económico e desempenho ambiental (Liu et al. 2020). Figura 4 - Cultivo de algodão em África (OGM). 19 2.2.2. Fibras de Celulose Regeneradas (FCR) As fibras de celulose regeneradas (FCR) – um tipo de MMCF – são obtidas por dissolução e regeneração a partir de celulose de biomassa florestal. A polpa de madeira e os linters de algodão são as matérias-primas mais comuns. As FCR incluem Viscose, Acetato, Lyocell, Modal e Cupro. O consumo e produção das FCR começou após a Segunda Guerra Mundial e foi aumentando até à década de 1960, altura em que estas fibras dominaram o mercado das fibras têxteis. O volume de produção global de FCR duplicou desde 1990. A Viscose é a FCR dominante, com uma participação de mercado de cerca de 79% de todas as FCR e um volume de produção de cerca de 5,63 milhões de toneladas em 2019 (Felgueiras et al. 2021). O processo de Viscose é o método mais amplamente usado para a produção de FCR. No último século esse processo sofreu muitas alterações, o que permitiu que a Viscose se tornasse uma das FCR mais utilizada. Este processo é esquematizado na Figura 5. Consiste em suspender a celulose em NaOH e, após maceração, trituração e envelhecimento. A celulose envelhecida é tratada com dissulfeto de carbono (CS2) para formar o xantato de celulose. Para terminar o estágio inicial da formação de Viscose, esse derivado é dissolvido em NaOH menos concentrado. Em seguida, o polímero é precipitado em ácido, para neutralizar e regenerar em simultâneo a celulose, através de um equipamento de fiação húmida. Seguem-se várias etapas de lavagem e extração produzindo uma fibra regenerada de celulose pura. A produção de fibras por este processo causa problemas ambientais significativos, devido ao alto uso de produtos químicos. O ciclo de vida do processo Viscose engloba outros impactos, associados à forma como os reagentes são produzidos e reciclados, bem como o consumo de energia, o uso de combustível fóssil e o desmatamento (Felgueiras et al. 2021). Figura 5 - Esquema de produção de fibra Viscose (Felgueiras et al. 2021). 20 O processo Lyocell é uma tecnologia de obtenção de fibras celulósicas por dissolução direta, resultando em fibras com propriedades excecionais, tornando-se um sério concorrente do processo Viscose, por ser mais ecologicamente correto. A dissolução da celulose é feita através do solvente N-metilmorfolina-N-óxido, comumente conhecido como NMMO. Este solvente tem a capacidade de dissolver diretamente altas concentrações de celulose, preservando as propriedades químicas do polímero. O primeiro sistema industrial usado para dissolver a celulose com NMMO está descrito na Figura 6. A celulose deve primeiro ser triturada em pequenas partículas para melhorar a área de contato superficial com NMMO. Em seguida, é misturado com NMMO a uma temperatura de 70-90 ◦C, com refinadores de alta velocidade, para quebrar ainda mais a celulose. A celulose resultante é submetida a temperaturas entre 90120 ◦C, sob vácuo, para remover o excesso de água, produzindo uma solução clara de cor âmbar escura. Este aquecimento é realizado a baixa pressão de modo a reduzir a temperatura necessária para a evaporação da água, evitando que o solvente sofra degradação exotérmica. Após a dissolução, as impurezas, como fibras de celulose não dissolvidas, são filtradas. A mistura é agitada através de uma abertura de ar num banho de rotação com um líquido polar, como água ou álcool. Esses agentes de coagulação são miscíveis com NMMO, removendo-o da solução de celulose (Felgueiras et al. 2021). Figura 6 - Processo Lyocell baseado no solvente NMMO (Felgueiras et al. 2021). 2.3. Nanoceluloses (NC) A procura por novas formas de celulose está a aumentar, devido às propriedades atraentes dos nanomateriais. As nanofibras de celulose são derivadas de recursos renováveis, apresentam propriedades excecionais e são biodegradáveis no fim das suas vidas. Elas oferecem potenciais benefícios ambientais em relação a outros materiais, como fibras de carbono ou vidro, ajudando a economizar materiais e energia, substituindo substâncias perigosas e usando recursos 21 renováveis (Piccinno et al. 2015). Algumas das caraterísticas relevantes das nanoceluloses incluem as excelentes propriedades mecânicas e biodegradabilidade. As nanoceluloses podem ser classificadas segundo o seu tamanho e aparência ou segundo os métodos de preparação. Assim, de acordo com diferentes métodos de preparação e matérias-primas, a nanocelulose pode ser dividida em 3 subcategorias: (1) celulose nanofibrilar (NFC), que é preparada a partir de fibras vegetais através de tratamentos químicos, mecânicos ou combinando os dois; (2) nanocristais de celulose (NCC) ou nanowhiskers, produzida através da hidrólise ácida e (3) nanocelulose bacteriana (NCB) produzida a partir de certas bactérias (Foroughi et al. 2021). 2.3.1. Celulose Bacteriana (CB) A celulose bacteriana é produzida essencialmente por bactérias Gram-negativas produtoras de ácido acético. A síntese de CB pode ser feita por bactérias dos géneros Gluconacelobacter, Agrobacterium, Sarcina e Komagataeibacter, por meio de fermentação microbiana. O género Komagataeibacter é o mais importante devido ao alto rendimento de celulose obtido a partir de uma ampla gama de fontes de carbono/nitrogénio (Forte et al. 2021; Noemi et al. 2020). A produção de CB, em condições de cultura estática, consiste num filme gelatinoso conseguido pelo arranjo nanofibrilar tridimensional (3D) de fibras celulósicas puras (Fernandes et al. 2019). O processo de síntese de CB é semelhante ao processo de produção de Celulose Vegetal e está representado na Figura 7. É sintetizada em duas etapas, sendo a primeira a produção de cadeias de β-1,4-glucano e a segunda a cristalização da celulose. A conversão de glucose em celulose requer quatro etapas enzimáticas (Figura 7): fosforilação da glucose pela glucoquinase em glucose-6-fosfato (G6P); isomerização de glucose-6-fosfato em glucose-1-fosfato (G1P) pela fosfoglucomutase (PGM); conversão de glicose-1-fosfato em difosfato de uridina-glucose (UDP-glucose) pela UDP-glucose pirofosforilase; e, finalmente, a síntese de celulose a partir da UDP-glucose pela celulose sintase (Bcs), um complexo de quatro subunidades, BcsA, BcsB, BcsC e BcsD. A UDP-glucose pirofosforilase é uma enzima chave neste processo, uma vez que sua atividade em bactérias produtoras de celulose é cem vezes maior do que nas não produtoras (Jacek et al. 2019). 22 Figura 7 – Vias para a biossíntese de Nanocelulose Bacteriana por K. xylinus e montagem de moléculas de celulose em nanofibrilas (Jacek et al. 2019). As propriedades físico-químicas e mecânicas da CB são únicas, quando comparadas à celulose vegetal. A CB tem uma elevada pureza, uma vez que não contém lenhina, hemicelulose e pectina na sua constituição e, portanto, não necessita de processos de purificação. As fibras de CB têm uma elevada área de superfície específica, devido à sua rede tridimensional de nanofibras interconectada e organizadas aleatoriamente. Esta caraterística concede à CB propriedades vantajosas para a produção de materiais compósitos. A CB consegue ainda alcançar uma elevada cristalinidade que, quando combinada à sua arquitetura nanofibrilar 3D, resulta num elevado módulo de Young. Também possui um grau elevado de polimerização, alta capacidade de absorção e retenção de água, uma elevada resistência à tração no estado húmido, podendo ser moldada em estruturas tridimensionais durante a síntese (Fernandes et al. 2019; Forte et al. 2021). Este polímero é utilizado em várias aplicações como na área biomédica, indústria têxtil, produção de papel, displays eletrónicos de papel, cosméticos e em aplicações alimentícias (Forte et al. 2021). A produção de CB continua a ser um desafio devido às baixas taxas de produtividade, sistemas de fermentação ineficazes, alto investimento de capital e altos custos operacionais. Assim, a aplicação de CB tem sido centrada essencialmente em dois mercados: na indústria de alimentos produzidos por métodos tradicionais de fermentação, principalmente desenvolvidos e consumidos em países asiáticos e na indústria cosmética e em aplicações médicas, mercados de elevado valor agregado (Forte et al. 2021). 23 2.4. Avaliação do Ciclo de Vida (LCA) Devido às mudanças climáticas e outros eventos que ameaçam o ambiente, é necessário que as empresas, indivíduos, administrações públicas e formuladores de políticas visando uma economia mais sustentável. Assim sendo, têm sido desenvolvidas ferramentas e indicadores para avaliar e comparar os impactos ambientais de diferentes produtos, processos e sistemas. Algumas dessas ferramentas são a Avaliação de Ciclo de Vida (LCA), Avaliação Ambiental Estratégica (AAE), Avaliação de Impacto Ambiental (EIA), Avaliação de Risco Ambiental (ERA), Análise Custo-Benefício (CBA), Análise de Fluxo de Materiais (MFA) e Pegada Ecológica (Finnveden et al. 2009). A Avaliação do Ciclo de Vida (LCA) é uma metodologia usada para quantificar os recursos consumidos e as emissões produzidas, bem como os impactos ambientais, na saúde e esgotamento de recursos relacionados com um processo industrial (European Commission, 2010). Estes impactos são medidos ao longo do ciclo de vida de um produto (bem ou serviço), desde a aquisição da matéria-prima, passando pelo processo de produção e a fase de uso até à gestão de resíduos. Esta última fase compreende a eliminação e também a reciclagem de resíduos. (Finnveden et al. 2009). O crescente interesse por esta metodologia surgiu na década de 1990 e, desde então, ocorreu um forte desenvolvimento e harmonização desta. A robustez da metodologia de Avaliação de Ciclo de Vida tem sido gradualmente alcançada. Para isso existem também iniciativas internacionais que têm como intuito ajudar a construir um consenso e a fornecer recomendações, tais como: o Ciclo de Vida do Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (PNUMA); a Sociedade de Toxicologia e Química Ambiental (SETAC); a Plataforma Europeia para LCA da Comissão Europeia e o procedente Sistema de Dados de Ciclo de Vida de Referência Internacional (ILCD) (Finnveden et al. 2009). Muitos fabricantes de fibras têxteis têm vindo a adotar a abordagem LCA para avaliar os impactos ambientais dos produtos que desenvolvem. Normalmente, os estudos de LCA são realizados por empresas de consultoria ou institutos de pesquisa independentes. Contudo, apesar do crescente número de estudos LCA nesta área, é frequentemente difícil interpretar os resultados obtidos porque são utilizadas metodologias diferentes. Por outro lado, não há bancos de dados de inventário de ciclo de vida suficientes para construir pesquisas científicas adicionais (Velden et al. 2014). 24 Um estudo de LCA é dividido em quatro fases: Definição do Objetivo e Projeto; Análise de Inventário do Ciclo de Vida (LCI), Avaliação do Impacto do Ciclo de Vida (LCIA) e Interpretação (Finnveden et al. 2009): 2.4.1. Definição do Objetivo e Projeto A definição de metas é a primeira fase de qualquer LCA. Nesta fase são incluídas as razões para a realização do estudo, a aplicação que se pretende e o público-alvo, bem como a descrição dos limites do sistema em estudo e a unidade funcional (UF). A UF é uma medida quantitativa das funções que os bens (ou serviços) fornecem (Comissão Europeia, 2010; Finnveden et al. 2009). A definição de objetivos é decisiva para todas as restantes fases de LCA, uma vez que: • Orienta todos os aspetos detalhados da definição de projeto, o que traduz a estrutura para o trabalho de Inventário do Ciclo de Vida (LCI) e Avaliação do Impacto do Ciclo de Vida (LCIA); • Controla a qualidade do trabalho realizado tendo em conta os requisitos derivados das metas propostas; • O estudo LCI, a avaliação dos resultados e a interpretação dos mesmos também devem estar estritamente relacionados com o objetivo do trabalho. 2.4.2. Inventário do Ciclo de Vida (LCI) A LCI diz respeito à compilação das entradas (recursos) e saídas (emissões) do produto ao longo do seu ciclo de vida, em relação à unidade funcional. Ao longo da fase de LCI devem ser feitas a coleta de dados real e a modelagem do sistema. Estas tarefas devem ser realizadas de acordo com as metas definidas e atendendo aos requisitos derivados da fase de projeto. Os resultados obtidos da LCI são os dados de entrada para a fase de LCIA e, também, são usados para dar feedback à fase de projeto, que normalmente necessita de ajustes ao longo do processo. Esta fase é a que requer mais esforços e recursos numa LCA, uma vez que exige a coleta, aquisição e modelagem de dados (Comissão Europeia, 2010; Finnveden et al. 2009). 2.4.3. Avaliação do Impacto do Ciclo de Vida (LCIA) A avaliação e compreensão da magnitude e significância dos potenciais impactos ambientais do sistema em estudo é feita através da Avaliação de Impacto do Ciclo de Vida (LCIA) (Finnveden et al. 2009). A LCIA é a fase onde as entradas e saídas de fluxos elementares coletados no inventário são traduzidos em indicadores de impacto relacionados à saúde, meio ambiente e esgotamento de recursos, isto é, traduz as emissões e o consumo de recursos num número limitado de categorias de impacto ambiental. Isto é feito recorrendo aos fatores de 31 Tabela 2 - Trajetórias de danos na ReCiPe 2016 (adaptada de Huijbregts et al. 2017) (cont.). Problema Ambiental Área de Proteção Trajetória de Dano Toxicidade Saúde Humana Ecossistemas (marinhos) Ecossistemas (terrestres) Ecossistemas (água doce) Anos de vida perdidos devido ao cancro e efeitos não cancerígenos devido à ingestão e inalação de substâncias tóxicas Perda de espécies devido à exposição química em águas marinhas Perda de espécies devido à exposição química em solos Perda de espécies devido à exposição química em água doce Uso da Água Saúde Humana Ecossistemas (terrestres) Ecossistemas (aquáticos) • Desnutrição causada pela falta de água • Diminuição da Produtividade Primária Líquida devida à escassez de água como proxy para a perda total de espécies • Perda de espécies de peixes devido à diminuição da vazão do rio Uso da Terra Ecossistemas (terrestres) • Perda de espécies devido a diferentes tipos de uso da terra (agricultura, silvicultura, edificações) • Perda de espécies causada pela transformação de terra natural em terra usada, incluindo o tempo que leva para transformar novamente em terra natural Escassez de Recursos Minerais Escassez de recursos • Aumento de custo devido ao aumento da extração mineral Escassez de Recursos Fósseis Escassez de recursos • Aumento de custo devido ao aumento da extração de fósseis 32 3. Metodologia 3.1. Estudo Comparativo Para a execução deste projeto, numa primeira fase foi necessário recorrer a bibliotecas online para a realização de pesquisa bibliográfica, de modo a encontrar artigos científicos e relatórios relevantes para a realização do estudo pretendido, isto é, de acordo com os critérios utilizados pela Satisfibre na produção de CB, nomeadamente no que diz respeito às fronteiras do sistema (Tabela 3). Numa segunda fase foi feito o levantamento de informações relevantes de cada artigo e relatório, de modo a identificar os seguintes parâmetros: • Tipo de matéria-prima; • Âmbito do estudo; • Fronteira do sistema; • Unidade Funcional; • Pressupostos; • Balanços mássicos e energéticos; • Metodologia LCIA e respetiva versão; • Base de dados e respetiva versão. Após esta triagem, foram identificados os artigos que melhor se ajustam à fronteira de sistema utilizado no processo de produção de CB pela Satisfibre. O passo seguinte foi fazer a conversão dos impactos calculados para a produção de CB pela metodologia ReCiPe 2016 para a mesma metodologia usada em cada artigo selecionado. Em seguida, com os dados convertidos para as metodologias dos artigos selecionados, foi feita uma análise da variação das fronteiras do sistema, avaliando o peso de algumas etapas no processo de produção de CB (tratamento de águas residuais, embalamento e construção de equipamentos) nos impactos calculados. Foi também adicionada uma etapa de produção de Fibras de Celulose Man-Made (MMCF) ou artificais (processo de Viscose e Lyocell) a partir de CB, de modo a ser possível comparar os impactos desse processo de MMCF a partir de CB e a partir de biomassa florestal. Por fim, foi realizada uma normalização dos dados (considerando os impactos obtidos por Forte et al. (2021) como referência), de modo a ser possível fazer a comparação direta dos impactos resultantes dos diferentes processos. 33 3.2. Software GaBi Professional O GaBi Professional é o software de avaliação de ciclo de vida líder do mercado, disponibilizando uma atualização regular dos bancos de dados. Os dados fornecidos pelo GaBi Pro são derivados da literatura científica, fontes da indústria e informações de patentes, sendo, portanto, um banco de dados robusto para avaliar produtos, serviços, processos e materiais (Sphera, 2022). O banco de dados fornece muitos processos e planos diferentes, sendo o mais comum cradle-to-gate. Estão incluídas todas as categorias de impacto padrão e metodologias de impacto como CML, ReCiPe, EDIP, TRACI, IO2+, UBP, EF 2.0 e 3.0, EN15804, Usetox, IPCC AR5, Odour, AADP (Sphera, 2022). No contexto deste projeto, o software GaBi Pro será utilizado para converter os dados obtidos na literatura na mesma base de cálculo adotada no estudo anteriormente desenvolvido (ReCiPe 2016), de modo a ser possível a sua comparação. 3.3. Estudo da Satisfibre O objetivo do estudo desenvolvido pela Satisfibre foi quantificar os impactos ambientais do processo, orientando o desenho em escala comercial para a futura produção de CB visando a minimização dos impactos ambientais. Como matérias-primas Forte et al. (2021) usaram melaços e xarope de milho. Forte et al. (2021) utilizaram como unidade funcional para o estudo de LCA a produção de 1 kg de CB (base seca) e optaram por uma perspetiva Cradle-to-gate. Esta perspetiva inclui desde a produção de matérias-primas para a produção de CB, até à produção de final de CB. Esta perspetiva foi utilizada uma vez que a CB é um material que podem conter muitas aplicações a jusante, algumas das quais ainda não foram completamente desenvolvidas. A fronteira do sistema está representada na Figura 10. Figura 10 – Fronteira do sistema de avaliação do ciclo de vida Cradle-to-gate (Forte et al. 2021). 34 Neste estudo foi considerado o tratamento de efluentes líquidos produzidos e foi ponderada a produção e transporte de matérias-primas utilizadas na produção de CB. A metodologia de LCIA utilizada por Forte et al. (2021) para a realização do estudo LCA foi a ReCiPe 2016 Midpoint (H). Todos os dados recolhidos para a realização deste estudo foram de origem primária e foi, também, utilizada a base de dados Ecoinvent através do software GaBi Pro V.9.2.1.68. As informações recolhidas nesta secção serviram como base para o estudo comparativo, isto é, apenas serão utilizados artigos que tenham critérios de apreciação semelhantes. 4. Resultados e Discussão 4.1. Seleção dos artigos para o estudo comparativo Inicialmente, foi necessário fazer uma pesquisa alargada de diversos artigos relacionados a LCA’s de materiais de origem celulósica na indústria têxtil. Recorreu-se ao RepositoriUM da Universidade do Minho para recolher artigos relevantes para este estudo, usando palavraschave como “Avaliação do Ciclo de Vida”, “Celulose”, “Indústria Têxtil”, “Algodão”, entre outras. Foi também utilizada a plataforma do Google Académico para fazer a pesquisa bibliográfica, utilizando o mesmo método de procura. Ao fim da pesquisa, foram recolhidos muitos trabalhos possíveis para a comparação pretendida. No entanto, apenas foram utilizados 11 artigos para o estudo, uma vez que, foram aqueles que melhor se ajustavam ao que era pretendido. Para proceder ao estudo comparativo foi necessário recorrer a uma análise detalhada de cada artigo por forma a avaliar se os resultados podem ser diretamente comparados, isto é, se se baseiam em pressupostos semelhantes, nomeadamente no que se refere aos limites do sistema. Assim, nos subcapítulos a seguir são detalhados todos os 11 artigos e referidas as razões para a sua inclusão ou exclusão no estudo. 4.1.1. Análise do artigo de Schultz et al (2017) Este estudo de Avaliação do Ciclo de Vida (LCA) avaliou o perfil de impacto do ciclo de vida das fibras de celulose artificiais – ManMade Cellulose Fibers (MMCF) – feitas a partir de celulose originária de dez fontes diferentes. As MMCF são derivadas de cinco matérias-primas diferentes (madeira de diferentes regiões florestais, polpa de bambu, algodão, subprodutos de linho e roupas recicladas), com cadeias de suprimentos de quatro continentes (Alemanha, Asia, China, Áustria e Bélgica). Um dos principais objetivos deste estudo foi entender o nível relativo de impactos nos ecossistemas associados à produção de cada fonte de MMCF. 35 Foram utilizados diferente cenários para a produção de MMCF, que se encontram descritos na Tabela 3. Os cenários 5 e 10 foram excluídos deste estudo, uma vez que o primeiro é referente a celulose reciclada de matérias-primas de vestuário e o cenário 10 não tem informação suficiente relativamente aos impactos causados. Tabela 3 – Diferentes cenários para a produção de MMCF (Schultz et al. 2017) Nome do Cenário Tipo de MMCF Tipo e fonte da celulose solúvel Localização da fábrica da fibra de dissolução Localização da fábrica de fibra descontínua 1. Produção Alemã de Celulose Florestal Gerenciada Sueca Fibras descontínuas de Viscose Celulose de madeira macia da Suécia Suécia Alemanha 2. Produção Asiática de Celulose da Floresta Boreal Canadense Fibras descontínuas de Viscose Celulose de madeira macia do Canada Canada China 3. Produção Chinesa de Celulose da Floresta Tropical da Indonésia Fibras descontínuas de Viscose Celulose mista de madeira tropical da Indonésia Indonésia China 4. Produção Chinesa de Celulose de Plantação da Indonésia Fibras descontínuas de Viscose Celulose de eucalipto da Indonésia Indonésia China 6. Produção Chinesa de Celulose de Bambu Chinês Fibras descontínuas de Viscose Celulose de bambu da China China China 7. Produção Chinesa de Celulose de Plantação de Algodão da Índia Fibras descontínuas de Viscose Linter de algodão proveniente da Índia e despolpado na China China China 8. Produção Chinesa de Celulose de Plantação SulAfricana Fibras descontínuas de Viscose Celulose de eucalipto da África do Sul África do Sul China 9. Produção austríaca de plantações sul-africanas mistas e celulose florestal gerenciada austríaca Fibras de Lyocell Mistura de madeira de faia e celulose de eucalipto da Áustria Áustria/África do Sul Áustria 36 As informações mais relevantes do relatório de Schultz et al. (2017) estão presentes na Tabela 4. Tabela 4 – Levantamento de informações relevantes do Relatório de Schultz et al. (2017), para o estudo comparativo. Matéria-prima Celulose originária de diferentes fontes (ver Tabela 4) Recolha de dados Primários, banco de dados e literatura Âmbito Cradle-to-gate Fronteira do sistema Todos os cenários exc/ o Cenário 5: Unidade Funcional 1 tonelada MMCF 37 Tabela 4 – Levantamento de informações relevantes do Relatório de Schultz et al. (2017), para o estudo comparativo (cont.). Pressupostos - Pressupõe-se que todos as matérias-primas químicas necessários para a produção de celulose solúvel e MMCF sejam fabricados na mesma região em que as fábricas estão localizadas; - As fábricas de MMCF consideradas no Cenário 1 e Cenário 6 produzem fios de filamentos de viscose e não fibra de celulose artificial (fibra descontínua, MMCF); - Com base nos dados primários sobre o uso dos consumos energéticos das diferentes instalações produtivas também incluíam a energia consumida durante os processos de formação do fio. No entanto, o escopo deste estudo apenas inclui a fibra descontínua (MMCF). Assim, o uso de energia da instalação foi ajustado com base nos dados que foram usados para o cálculo do consumo médio de energia em relação a 1 tonelada de fibra cortada produzida, em todas as fábricas MMCF consideradas neste estudo. - O Cenário 2 explora um cenário hipotético. Este cenário é baseado na conversão iminente de muitas fábricas de papel e celulose que atualmente operam na região boreal em fábricas de celulose de grau solúvel. - Durante a extração, assumiu-se que a decomposição e/ou combustão de resíduos de extração acima do solo e carbono armazenado nas raízes das árvores ocorreram imediatamente, com todo o carbono assumido a ser convertido em emissões de CO2 (isto é aplicável a todos os cenários, exceto 5, 7 e 10). Assume-se que o corte deixado no local é de 25% do volume da colheita. Presume-se que as raízes abaixo do solo tenham uma massa de carbono igual à do slash. - No caso do Cenário 6 e Cenário 7, assume-se que os resíduos deixados no campo têm uma contribuição insignificante para as emissões. - Não foi possível determinar se todos os processos unitários em todos os dez cenários estavam em regiões com escassez de água. - Foi assumido como distância padrão para todos os cenários, o transporte rodoviário de mercadorias de 200 milhas. Balanços mássicos e energéticos Não são divulgadas as quantidades (retiradas da base de dados Ecoinvent) Método LCIA e versão CML – April 2013 Base de dados e versão RISI Mill Asset; Ecoinvent V3.1 38 O relatório de Schultz et al. (2017) é um estudo bastante abrangente quanto à origem das matérias-primas e processos produtivos. O inventário do ciclo de vida (LCI) dos sistemas de produtos foi modelado com base em dados primários do processo de dissolução da celulose de três fábricas de fibras descontínuas e complementado a partir de bases de dados locais, como RISI e de empresas chinesas de pesquisa de mercado para outros cenários. A escassez de informação de certos processos unitários em determinadas unidades produtivas, a necessidade de estabelecer certos pressupostos e de recorrer a bases de dados, terão, por um lado, tido um forte contributo para a ampla variabilidade dos impactos calculados que vêm descritos no documento, por outro, introduzido também incerteza nos resultados obtidos. Tal dificulta a comparação dos resultados dos impactos entre as celuloses vegetais e a CB. Para além disto, nesse relatório são incluídas 3 etapas: a produção da pasta de celulose, o processamento desta (dissolving pulp) e a produção da MMCF. No estudo da CB é apenas considerada a produção da CB. Assim, para ser possível fazer uma comparação dos resultados obtidos nos dois estudos seria necessário retirar os impactos da etapa de produção das MMCF do trabalho de Schultz et al. (2017) ou, alternativamente, acrescentar ao estudo da CB os impactos da produção de fibras artificiais pelos métodos Lyocell ou Viscose a partir da CB. Assim sendo, foi feita posteriormente uma análise de variação das fronteiras do sistema de produção de CB (secção 4.3) de modo a ser possível fazer uma comparação com a produção de MMCF. 4.1.2. Análise do artigo de La Rosa et al. (2019) Neste estudo foi realizada uma LCA do cultivo tradicional do algodão e foi comparada a outras fibras naturais (nomeadamente, Juta e Kenaf) e com o cultivo orgânico de algodão. Este estudo surgiu com a crescente preocupação com os problemas ambientais significativos provocados pelo cultivo tradicional do algodão. A utilização de pesticidas (muitas vezes mal administrados), as grandes quantidades de água requeridas, a ocupação da terra e a sua salinização e o consumo de energia, são os principais problemas causados pelo cultivo tradicional de algodão. As informações mais relevantes deste estudo estão descritas na Tabela 5. 39 Tabela 5 – Levantamento de informações relevantes do trabalho de La Rosa et al. (2019), utilizado para o estudo comparativo. Matéria-prima Algodão, Kenaf e Juta Âmbito Cradle-to-gate Recolha de dados Base de dados e literatura Fronteiras do sistema (exemplo para o caso do algodão) Unidade Funcional 1 tonelada de têxteis de algodão, Kenaf e Juta Pressupostos - Supõem-se que os impactos da fibra de cânhamo são muito próximos dos das fibras de kenaf ou juta, uma vez que são plantas muito semelhantes Balanços mássicos e energéticos Não são indicados balanços mássicos. Balanços energéticos: Método LCIA e versão CML, V3.02 Base de dados e versão Ecoinvent 3 (software SimaPro V8.0.5.13) Neste artigo existe uma tabela com dados relativos à produção de fibras de algodão, kenaf e juta, no entanto não é claro qual a metodologia utilizada para a análise nem a fonte dos dados. Existe também uma tabela que compara os impactos ambientais causados para a produção de 40 algodão orgânico e algodão tradicional, no entanto, mais uma vez não é indicada a metodologia utilizada. Para além destas dificuldades, ainda seria necessário acrescentar no estudo da CB a produção de MMCF para ser possível a comparação desta com o algodão. Posto isto, este artigo não foi utilizado no estudo comparativo. 4.1.3. Análise do artigo de Liu et al. (2020) Este estudo concentrou-se em avaliar e comparar os impactos ambientais na produçao de fios a partir de fibras de algodão virgem e de fios de fibras de algodão reciclado. Mais informações importantes estão descritas na Tabela 6. Tabela 6 - Informações importantes do Artigo de Liu et al. (2020) utilizado para o estudo comparativo. Matéria-prima Algodão Âmbito Cradle-to-gate Recolha de dados Primária e Banco de dados Fronteiras do sistema Algodão virgem: Unidade Funcional 1000 kg de fios de algodão Pressupostos Foram excluídos: - Trabalho humano, materiais de embalagem, manutenção de dispositivos e despesas gerais de administração; - Construção de máquinas; Foi considerado que: - A distância entre a origem do cultivo de algodão na província de Xinjiang e a fábrica na província de Zhejiang é de 4650 km por camião (esta distância foi considerada constante); 47 Tabela 10 - Informações relevantes do Artigo de Gu et al. (2015) utilizado para o estudo comparativo (cont.). Fronteiras do sistema O limite do sistema inclui os recursos e manuseio de materiais a montante, transporte de produtos químicos e fabricação de CNC: Unidade Funcional 1 kg de NCC Pressupostos - Foi usada uma celulose kraft branqueada ao invés da celulose solúvel escolhida para este processo, uma vez que, no SimaPro nenhuma celulose de dissolução exata pode ser encontrada no banco de dados US LCI ou US Ecoinvent. Balanços mássicos e energéticos Balanços mássicos: Balanços energéticos: Método LCIA e versão TRACI 2.0 Base de dados e versão Ecoinvent (software SimaPro) 48 Uma vez que os dados foram retirados no banco de dados Ecoinvent (portanto, fidedignos) e que a fronteira do sistema é comparável com a da produção de CB, este trabalho foi considerado neste estudo comparativo. 4.1.8. Análise do artigo de Chen et al. (2021) Os objetivos desta revisão foram: (1) explorar e documentar o estado atual da pesquisa de LCA com relação à carga ambiental dos têxteis de algodão, (2) identificar possibilidades para reduzir a carga ambiental dos têxteis de algodão e (3) identificar possíveis melhorias de LCA existentes usados na indústria têxtil de algodão. Mais informações deste estudo estão referidas na Tabela 11. Tabela 11 - Informações relevantes do Artigo de Chen et al. (2021) utilizado para o estudo comparativo. Matéria-prima Algodão Âmbito Cradle-to-gate Recolha de dados Literatura: Chapagain et al.; CmiA; Cotton Incorporated; Gunther et al.; EsteveTurrillas et al.; Hedayati et al.; Paunonen et al.; Sandin et al.; Pfister et al.; Schmidt Fronteiras do sistema Chapagain et al.: 49 Tabela 11 - Informações relevantes do Artigo de Chen et al. (2021) utilizado para o estudo comparativo (cont.). Fronteiras do sistema CmiA: Cotton Incorporated: Unidade Funcional - Chapagain et al.: 1 ton de algodão; - CmiA: 1000 kg de algodão; - Cotton Incorporated: 1000 kg de fibra de algodão; Pressupostos - CmiA: Estão incluídos: todos os fluxos materiais e energéticos necessários para as duas fases de produção (cultivo e beneficiamento) bem como todos os resíduos e emissões associados: produção de fertilizantes e pesticidas, bem como emissões de campo (por exemplo, N2O), emissões relacionadas ao desmatamento (ou seja, a combustão de biomassa remanescente no campo do período de cultivo anterior) (por exemplo, CH4, SO2), eletricidade para descaroçamento e todos os transportes (fertilizante para o campo, caroço de algodão para descaroçamento). Excluem-se: os impactos ambientais associados aos animais de tração; o fim da vida útil dos resíduos, pois deixa o sistema livre de encargos e sem nenhum benefício para o produto principal; a construção de bens de capital e manutenção de equipamentos de apoio devido à sua contribuição mínima e à extrema dificuldade de os medir; 50 Tabela 11 - Informações relevantes do Artigo de Chen et al. (2021) utilizado para o estudo comparativo (cont.). Pressupostos A soma dos fluxos de materiais excluídos não excede 5% de massa, energia ou relevância ambiental. - Cotton Incorporated: Incluído: crescimento, cultivo e descaroçamento de algodão; produção de material auxiliar (corantes, produtos químicos, etc.); energia e emissões para a produção de tecidos, incluindo despesas gerais da instalação; energia e materiais para criação de vestuário (cortar e costurar); transporte de intermediários e produtos acabados; transporte de tecido acabado para corte e costura; transporte do varejo para o cliente; fase de lavagem e secagem de tecidos (somente em residências - sem lavagem a seco considerada); fim da vida útil do tecido. Excluído: trabalho humano; construção de bens de capital; manutenção e operação de equipamentos de apoio; produção e transporte de materiais de embalagem. Balanços mássicos e energéticos - Cotton Incorporated: Método LCIA e versão - Chapagain et al.: footprint - CmiA: CML 2001 – Apr. 2013 - Cotton Incorporated: CML (Nov. 2009) Base de dados e versão - CmiA: Software GaBi v6.3 - Cotton Incorporated: Software GaBi v4 e v5 Como dito anteriormente, para se comparar os impactos ambientais causados pela produção de CB e pela produção de algodão seriam necessários alguns ajustes na LCA da CB, de modo a ter-se condições de fronteira comparáveis. Assim sendo, este artigo foi também excluído deste estudo comparativo. 51 4.1.9. Análise do artigo de Piccinno et al. (2015) O objetivo geral deste estudo foi realizar a primeira LCA de um processo recémdesenvolvido para extração, funcionalização e orientação de nanofibras de celulose a partir de resíduos de alimentos vegetais. Mais informações relevantes do artigo de Piccinno et al. (2015) estão descritas na Tabela 12. Tabela 12 - Informações relevantes do Artigo de Piccinno et al. (2015) utilizado para o estudo comparativo. Matéria-prima Resíduos de vegetais Âmbito Cradle-to-gate Recolha de dados Primária; alguns dados de consumo de energia foram estimados; base de dados: -Eletricidade: • Europa: eletricidade, média tensão, produção UCTE, na rede; ecoinvent v2.2 • Brasil: eletricidade, baixa tensão, produção BR, na rede; ecoinvent v2.2 • EUA: eletricidade, mix de produção EUA; ecoinvent v2.2 - Tratamento de resíduos: tratamento de águas residuais, classe 3, Suíça; ecoinvent v2.2. - Água: água da torneira, ao utilizador, Europa; ecoinvent v2.2. - Alginato de sódio: algas marinhas (não cultivadas) como matéria-prima, consideradas como insumo livre. - Produção de xiloglucano: semente de tamarindo (resíduos) como matéria-prima, considerada como insumo livre. - Produção de quitosana: casca de crustáceo (resíduos) como matéria-prima, considerada como insumo livre. - Resíduos perigosos: eliminação, mistura de solventes, para instalação de incineração de resíduos perigosos, Suíça; ecoinvent v2.2. - Produção de óxido de etileno: tem sido utilizado óxido de etileno em substituição ao poli(óxido de etileno) (PEO); ecoinvent v2.2. - Picolina borano: conjunto de dados global médio genérico para produtos químicos orgânicos usados; ecoinvent v2.2. - Produção de enzimas (etapa de todo o processo): resultados de LCI recebidos do parceiro do projeto. - água da torneira: a entrada de água foi aplicada com 30% para refletir 70% de reciclagem. 52 Tabela 12 - Informações relevantes do Artigo de Piccinno et al. (2015) utilizado para o estudo comparativo (cont.) Fronteiras do sistema Unidade Funcional 1 g de MFC Pressupostos - Os valores deste artigo são resultantes de uma atividade experimental; esta experiência não foi realizada com várias execuções na escala estipulada, pelo que não foi possível obter vários valores experimentais; como resultado não foi obtida a incerteza envolvida no estudo. - Optaram por incluir uma análise de cenário para os estudos comparativos contabilizando diretamente a produção de cenoura; neste cenário considerou-se que as cenouras eram exclusivamente produzidas para a produção de nanocelulose. - Assume-se que todas as partes do processo ocorreram num só lugar. Balanços mássicos e energéticos Método LCIA e versão ReCiPe, Midpoint Base de dados e versão Ecoinvent v2.2 Esse estudo teve como base trabalhos laboratoriais com condições muito específicas, por exemplo, a fonte de matéria-prima . Para além disso, retira-se pouca informação relativamente 53 aos impactos causados (apenas 2 fatores de impacto). Dado isto, este artigo foi excluído do estudo comparativo. 4.1.10. Análise do artigo de Figueirêdo et al. (2012) Neste estudo foram avaliados aspetos ambientais particulares e impactos relacionados de dois sistemas de produtos de nanowhiskers de celulose: nanonowhiskers extraídos de fibras de coco verdes (sistema EUC) e de fibras de algodão branco (sistema EC). As informações mais relevantes deste artigo estão apresentadas na Tabela 13. Tabela 13 - Informações relevantes do Artigo de Figueirêdo et al. (2012) utilizado para o estudo comparativo. Matéria-prima Algodão e côco Âmbito Cradle-to-gate Recolha de dados Primária (dados da extração da fibra de coco verde e nanowhiskers de celulose) e base de dados (dados relacionados à produção e distribuição de eletricidade e produção de reagentes). Fronteiras do sistema Sistema EUC: Sistema EC: 54 Tabela 13 - Informações relevantes do Artigo de Figueirêdo et al. (2012) utilizado para o estudo comparativo (cont.). Unidade Funcional 1 g nanowhiskers Pressupostos - Neste estudo não foi considerada a produção de côco verde uma vez que é considerado um resíduo sem valor de mercado. - O transporte da casca de côco para unidades de produção de fibra foi desconsiderado, pois muitas dessas unidades estão instaladas próximas a empresas que extraem água de côco. - O transporte de materiais (como produtos químicos e fibras) não foi incluído no EC e EUC porque os processos de extração das nanowhiskers de celulose ainda estão em fase laboratorial e as localizações das unidades de produção ainda não foram determinadas. - Este estudo não considerou outras substâncias que podem ser libertadas no ar ou na água, como as emissões de óxidos de nitrogénio e enxofre (no ar) e sulfatos e ácido sulfúrico (na água). Balanços mássicos e energéticos Método LCIA e versão ReCiPe (H), Midpoint Base de dados e versão Ecoinvent V2 À semelhança do artigo anterior, este artigo tem condições de operação muito específicas, nomeadamente a fonte de matéria-prima. Para além disso os fatores de impactos poderão estar 55 subestimados tendo em conta os pressupostos apresentados na Tabela 15. Por estes motivos, não é relevante para o estudo comparativo que se está a desenvolver. 4.1.11. Análise do artigo de Nascimento et al. (2016) O objetivo deste estudo foi investigar os impactos ambientais de 4 métodos de extração de nanocristais de celulose de fibras de coco estudados e determinar o método mais ambientalmente sustentável usando a Avaliação do Ciclo de Vida. Os quatro métodos estudados recuperaram a lenhina das fibras de coco e utilizaram as seguintes alternativas para hidrolisar a celulose: (1) ácido sulfúrico diluído (CNH1); (2) ácido sulfúrico concentrado (CNH2); (3) persulfato de amoníaco (CNO); e (4) ultrassom de alta potência (CNO). Na Tabela 14 estão descritas as informações mais relevantes deste artigo. Tabela 14 - Informações relevantes do Informações relevantes do Artigo de Nascimento et al. (2016) utilizado para o estudo comparativo. Matéria-prima Fibras de côco Âmbito Cradle-to-gate Recolha de dados Primária (dados referentes ao consumo de água, energia elétrica e reagentes, bem como a concentração de poluentes nos efluentes líquidos da extração de nanocristais de celulose), banco de dados (dados de inventário relacionados à produção de reagentes químicos e energia) e literatura (dados relacionados ao fracionamento da casca de coco verde foram obtidos de Rosa et al. (2010)). Fronteiras do sistema Unidade Funcional 1 g de NCC Pressupostos - Dados relativos à produção de persulfato de amónia [(NH4)2S2O8] (APS) não foram encontrados na base de dados utilizada, sendo substituídos pelo inventário de sulfato de amónia (NH4SO4) da ecoinvent, que foi considerado um produto químico similar. - Uma vez que os dados do inventário de Figueirêdo et al. (2012) se basearam na avaliação utilizando uma versão anterior do ecoinvent (v.2) e Simapro (7.2), uma nova avaliação foi realizada utilizando a versão ecoinvent 3.0 e Simapro 8.0.3. 56 Tabela 14 - Informações relevantes do Informações relevantes do Artigo de Nascimento et al. (2016) utilizado para o estudo comparativo (cont.). Balanços mássicos e energéticos Método LCIA e versão ReCiPe (H), Midpoint Base de dados e versão Ecoinvent 3.1 (dados de inventário relacionados à produção de reagentes químicos e energia); Ecoinvent 3.0 (software SimaPro V8.0.3) (nova avaliação) À semelhança dos dois artigos anteriores, este refere-se à produção de NCC a partir de uma matéria-prima específica (fibras de côco), pelo que não foi incluído no estudo. 4.2. Resultados obtidos do estudo comparativo Os atigos selecionados em 4.1 para a realização do estudo comparativo foram os estudos de Schultz et al. (2017), Stampino et al. (2021) e Gu et al. (2015), sendo estes referentes à produção de MMCF, CNF e CNC, respetivamente. Os dados referentes aos impactos calculados por Forte et al. (2021) estão indicados nas Tabela 15. 63 representados na Tabela 18, que estes são superiores aos obtidos por Forte et al. (2021) para a produção de CB, no entanto, são da mesma ordem de grandeza. 4.3. Análise da variação das fronteiras do sistema – exclusão e inclusão de processos Os artigos de Stampino et al. (2021) e Gu et al. (2015) foram selecionados para o estudo comparativo. Ambos têm fronteiras de sistema semelhantes ao artigo de Forte et al. (2021). No entanto, aqueles artigos não incluem a etapa de tratamento de águas residuais, a etapa de embalamento nem os impactos associados à construção de equipamentos, portanto, os impactos calculdaos por esses autores foram subestimados relativamente aos impactos calculados por Forte et al. (2021). Assim, foram estimados, novamente, os impactos causados pela produção de CB, excluindo todas estas etapas. Os resultados encontram-se na Tabela 19. Foram utilizadas as metodologias EF (v.3.0) e TRACI (v.2.0) para calcular estes impactos, de modo a serem comparáveis com os resultados obtidos por Stampino et al. (2021) e Gu et al. (2015), respetivamente. 64 Tabela 19 - Resultados dos impactos ambientais da produção de 1 kg de CB excluindo as etapas de tratamento de águas residuais, embalamento e os impactos causados pela construção de equipamentos. Metodologias Categorias de impacto EF V3.0 (exc. as etapas) TRACI V2.0 (exc. as etapas) CB Stampino et al. (2021) CB Gu et al. (2015) ENZHO TOHO TOSO Alterações Climáticas (kg CO2 eq) 14.8 930 3160 4400 14.2 29.64 Destruição do Ozono (kg CFC-11) 5.02E-07 1.27E-04 4.105E-04 5.80E-04 5.56E-07 1.11E-06 Uso de água (m3) 126 1945 10850 11650 - - Ecotox. água doce (CTUe) 142 22000 65000 90000 60.9 96.81 Eutrofização (kg N eq) 1.42E-01 7.95E-01 10.55 13.25 2.94E-02 5E-02 Uso da Terra (PT) 105 17600 39200 50000 - - Toxicidade Humana, não canc. (CTUh) 1.37E-07 9.65E-06 3.41E-05 4.655E-05 5.4E-07 8.71E-06 Toxicidade Humana, canc. (CTUh) 4.03E-08 3.66E-07 1.99E-06 2.565E-06 7.38E-09 8.25E-07 Depleção fóssil (MJ) 262 13500 44200 60000 - - 65 Analisando a Tabela 19, é possível concluir que os impactos obtidos para a produção de NFC e NCC, por Stampino et al. (2021) e Gu et al. (2015), respetivamente, são superiores aos obtidos para a produção de CB por Forte et al. (2021). O relatório de Schultz et al. (2017) contém muita informação relevante para este estudo, no entanto, a fronteira do sistema inclui a produção de MMCF, o que não acontece no artigo de Forte et al. (2021). Assim, visto que no relatório de Schultz et al. (2017) estão indicadas as percentagens que cada etapa do processo contribuí para cada um dos impactos estudados, é possível determinar os impactos associados exclusivamente à produção de MMCF. Dispondo desses valores, foi possível em seguida adicionar a etapa de produção de MMCF ao de produção de CB. Na Tabela 20, estão representadas, para cada impacto calculado, as percentagens que a etapa de produção de MMCF contribuí, assim como o valor numérico correspondente aos impactos para os 2 cenários do estudo que foram considerados (Cenário 1 e Cenário 9, descritos na Tabela 3) para a produção de 1 kg de MMCF (foi feita a conversão de 1000 ton de MMCF para 1 kg de MMCF para que toda a informação dos artigos estarem na mesma UF). Tabela 20 - Impactos causados pela produção de MMCF para cada cenário considerado para a produção de 1 kg de MMCF. Cenário 1 Cenário 9 % impacto da produção de MMCF Valor total do impacto Valor numérico do impacto da produção de MMCF % impacto da produção de MMCF Valor total do impacto Valor numérico do impacto da produção de MMCF Alterações climáticas (kg CO2) 22% 5.2 1.144 9% 3.4 0.306 Acidificação (kg SO2) 54% 3.3E-02 1.78E-02 45% 1.4E-02 6.30E-03 Esgotamento de recursos fósseis (MJ) 24% 22 5.28 24% 25 6 Os valores numéricos dos impactos da produção de MMCF apresentados na Tabela 20 foram calculados de acordo com o Anexo A. Com estes valores é possível adicionar a etapa de produção de MMCF ao processo de produção de CB, admitindo que o tipo de celulose é igual 66 em ambos os processos. Assim, o limite de fronteira deste processo passa a incluir a produção de fibras através do processo de Viscose (Cenário A) e Lyocell (Cenário B). No software utilizado (GaBi Professional) para a metodologia e versão utilizada por Schultz et al. (2017) – CML April 2013 – apenas foi possível incluir as categorias de impactos Alterações climáticas, Acidificação (regional) e Esgotamento de recursos de energia não renovável (fósseis). Foi admitido que a produção de MMCF foi feita numa fábrica dedicada apenas à produção destas fibras e que esta foi acoplada à fábrica já existente para produção de CB. Assim, esta não é embalada. Considerou-se também que o rendimento do processo de produção de MMCF a partir da CB é de 100 %. Os impactos causados pela construção de máquinas e equipamentos não foram incluídos nesta análise, uma vez que não está na fronteira do sistema no trabalho de Schultz et al. (2017). Os impactos ambientais causados pela produção de CB através da metodologia CML April 2013 estão indicados na Tabela 21, assim como os resultados obtidos da adição dos novos processos de produção de CB (Cenário A – Viscose e Cenário B – Lyocell). Na Tabela 21 estão ainda indicados os valores obtidos para os respetivos impactos ambientais para o processo feito por Schultz et al. (2017), de modo a ser feita a comparação. Tabela 21– Comparação dos resultados obtidos para o novo processo de produção de CB, incluindo a etapa de produção de Viscose (Cenário A) e a etapa de produção de Lyocell (Cenário B) com os resultados obtidos, respetivamente, no Cenário 1 e no Cenário 9 por Schultz et al. (2017) para a produção de 1 kg de MMCF, pela metodologia CML April 2013. Cenário 1, Viscose (Schultz et al. 2017) Cenário 9, Lyocell (Schultz et al. 2017) CB Cenário A – Viscose (novo) Cenário B – Lyocell (novo) Alterações climáticas (kg CO2) 5.2 3.4 13.2 14.34 13.51 Acidificação (kg SO2) 3.3E-02 1.4E-02 4.82E-02 6.60E-02 5.45E-02 Esgotamento de recursos (MJ) 22 25 247 252.28 253 Os cálculos dos impactos ambientais causados para os novos processos de produção de CB (Cenário A e Cenário B) estão indicados no Anexo B. Analisando a Tabela 21 é possível concluir que os impactos obtidos para a produção de MMCF por Schultz et al. (2017) são inferiores aos impactos obtidos para os novos processos de produção de CB, o que pode também dever-se ao facto da UF utilizada por Schultz et al. (2017) 67 ser 1000 vezes superior do que a UF utilizada por Forte et al. (2021) e, ao fazer a conversão, foram induzidos erros significativos. 4.4. Normalização dos dados Na secção 4.3 obtiveram-se os resultados do estudo comparativo. Para fazer uma comparação mais adequada, procedeu-se a uma normalização dos dados. Para isso, considerou-se como referência os dados obtidos do estudo de ACV da CB (ou seja, definem-se como 1 as categorias de impacto ambiental). Os cálculos para a normalização estão exemplificados no Anexo C. Na Tabela 22 estão apresentados os resultados da normalização dos dados. Foram usadas as categorias de impacto que tinham correspondência entre as metodologias utilizadas (EF 3.0, TRACI 2.0 e CML April 2013): Alterações climáticas, Depleção fóssil, Ecotoxicidade, Eutrofização, Uso da terra, Destruição do ozono, Toxicidade humana (não cancerígena e cancerígena) e Acidificação. Tabela 22 – Normalização dos dados obtidos por Stampino et al. (2021), Gu et al. (2015) e Schultz et al. (2017) tendo como referência os resultados obtidos por Forte et al. (2021), usando pressupostos comparáveis Categorias de impacto Forte et al. 2021 Stampino et al. 2021 Gu et al. 2015 Schultz et al. (2017) ENZHO TOHO TOSO Viscose Lyocell Alterações climáticas 1.00 62.84 213.51 297.30 2.25 3.63E-01 2.52E-01 Depleção fóssil 1.00 51.53 168.70 229.01 - 8.72E-02 9.88E-02 Ecotoxicidade 1.00 154.93 457.75 633.80 1.59 - - Eutrofização 1.00 68.31 352.11 468.31 121.43 - - Uso da terra 1.00 167.62 373.33 476.19 - - - Destruição do ozono 1.00 252.99 817.73 1155.38 2.00 - - Toxicidade humana, não cancerígena 1.00 70.44 248.91 339.78 - - - Toxicidade humana, cancerígena 1.00 9.08 49.38 63.65 - - - Acidificação 1,00 85.57 346.48 471.48 - 5.00E-01 2.57E-01 68 4.5. Discussão Analisando a Tabela 22 (Secção 4.4), é possível verificar que os impactos calculados pela produção de NFC e NCC, dos trabalhos de Stampino et al. (2021) e Gu et al. (2015), respetivamente, são maiores do que os impactos calculados por Forte et al. (2021) para a produção de CB. Os impactos calculados por Stampino et al. (2021) chegam a ser mais de 1000 vezes superiores em comparação com os da produção de CB, para a categoria de impacto de Destruição do ozono pelo método de preparação TOSO. Estes valores tão elevados, como dito anteriormente, podem dever-se ao facto das UF utilizadas serem muio diferentes (duas ordens de grandeza) o que leva a erros grosseiros na conversão dos resultados. Os impactos calculados por Gu et al. (2015) para a produção de NCC são menores do que os resultados obtidos por Stampino et al. (2021). No entanto, continuam a ser superiores aos impactos calculados para a produção de CB. No caso da categoria de impacto de Eutrofização, os impactos são mais de 100 vezes maiores. Constatou-se, também, que os novos processos de produção de fibras artificiais a partir de CB (Viscose e Lyocell) têm mais impactos do que os dos processos de produção de Viscose e Lyocell de Schultz et al. (2017). No caso da categoria de impacto de Depleção fóssil (ou Esgotamento de recursos fósseis/não renováveis) a diferença de valores pode ser explicada pela utilização de diferentes processos de geração de energia. O consumo de eletricidade para a produção do CB foi avaliado com base no mix médio da rede elétrica portuguesa (que inclui carvão, energia eólica, gás natural e energia hidroelétrica), enquanto que o conjunto de dados de eletricidade usada por Schultz et al. (2017) para produção de MMCF, foi modelado usando o mercado Ecoinvent 3.1 para eletricidade (média tensão-SE) na Suécia (incluí a geração de vapor através de caldeiras industriais e biogás a partir de matéria orgânica). 69 5. Conclusões Após a análise da literatura diversa, apenas foi possível comparar 3 artigos: um referente à produção de nanofibras de celulose, outro para a produção de Nanocristais de celulose e, por fim, um relatório referente à produção de fibras de celulose artificiais. Foi necessário fazer alterações na fronteira do sistema de produção de CB, para ser possível efetuar uma análise comparativa dos impactos ambientais de cada tipo de processo. Para a comparação com os artigos de Stampino et al. (2021) e Gu et al. (2015), foram retiradas as etapas de tratamento de águas residuais, de embalamento e os impactos associados à construção de equipamentos. Concluiu-se, após a normalização dos dados, que os impactos causados pela produção de CB são inferiores, isto é, o processo de produção de CB apresenta melhor desempenho a nível de sustentabilidade quando comparado com os processos de produção de nanofibras de celulose e nanocristais de celulose. Para assemelhar as fronteiras de sistema do relatório de Schultz et al. (2017) e da produção de CB, foi necessário adicionar as etapas de produção de Viscose e Lyocell ao processo de CB, assim como retirar as etapas referidas no parágrafo anterior. Assim, concluiu-se que os impactos causados pelos novos processo de CB (Cenário A – Viscose e Cenário B – Lyocell) são maiores, isto é, neste caso, os novos processos de produção de CB não apresentam um melhor resultado a nível da sustentabilidade em comparação com os resultados obtidos por Schultz et al. (2017). Futuramente será necessário modificar a fronteira do sistema de produção de CB para ser possível fazer um estudo comparativo mais alargado, nomeadamente com fibras de algodão, um material muito utilizado na indústria têxtil e responsável pelo esgotamento de água e ocupação de grandes extensões de terra. Sugere-se também que a fonte de energia utilizada no processo de produção de CB seja modificada, uma vez que pode estar na origem de impactos associados às alterações climáticas e esgotamento de recursos fósseis. 70 Referências Chen F., Ji X., Chu J., Xu P., Wang L. (2021). A review: life cycle assessment of cotton textiles. Special issue on Circular economy, p. 72:19-29. 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Assim, o valor, em kg de CO2, obtido nesta etapa é: 𝑥 = 0.22 × 5.2 = 1.144 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 Equação 1 – Exemplo de cálculo do valor numérico associado à percentagem dos impactos estudados referente à etapa de produção de MMCF. Anexo B Para calcular os impactos ambientais causados para os novos processos de produção de CB (Cenário A e Cenário B) foi necessário somar os valores absolutos obtidos das percentagens associadas ao impacto da produção de MMCF aos valores obtidos apenas da produção de CB. Assim, a título de exemplo, para o Cenário A para a categoria de impacto Alterações Climáticas, o valor do impacto causado é dado pela Equação 2. 𝑥 = (13.2 + 1.144) 𝑘𝑔 𝐶𝑂2=14.34 𝑘𝑔 𝐶𝑂2 Equação 2 – Exemplo de cálculo do valor do impacto nas alterações climáticas para a produção do novo processo de CB (Cenário A). Anexo C Para a normalização dos dados obtidos dos três artigos utilizados para este estudo comparativo, foi necessário fazer os cálculos exemplificados na Equação 3, para todos os resultados dos impactos ambientais causados. Considerou-se os resultados das categorias de impacto ambiental da produção de CB como 1. Por exemplo, para a categoria de impacto “Alterações climáticas”, o valor obtido para a produção de CB, utilizando a metodologia EF V3.0, foi de 14.8 kg CO2 e o valor obtido para a mesma categoria mas para a produção de nanofibras de celulose pelo método ENZHO foi de 930 kg CO2. Através da Equação 3 obteve-se o resultado da normalização para este parâmetro. 𝑥 = 930 × 1 14.8 =62.84 Equação 3 – Exemplo do cálculo para normalização dos dados.