A vinhaça ou vinhoto, também conhecida como restilo, é um resíduo aquoso malcheiroso gerado pela destilação do mosto alcoólico durante o processo de produção do etanol.

A indústria sucroalcooleira gera, em média, 13 L de vinhaça para cada litro de etanol produzido, além de mais de 20 kg de bagaço de cana, outro importante resíduo do processo (Hoarau et al., 2018).

Considerando uma produção de etanol próximo de 27,3 bilhões de litros no Brasil na safra 2022/2023, podemos estimar que serão gerados mais de 350 bilhões de litros de vinhaça, considerando essa proporção.

Em uma perspectiva global, espera-se a produção de 1.742 bilhões de litros de restilo em 2024 (Hoarau et al., 2018).

Este resíduo que por muito tempo foi visto com um problema de descarte pela indústria sucroalcooleira, hoje é amplamente utilizado na fertirrigação do canavial, sendo uma importante fonte de nutrientes para a cana-de-açúcar.

Veja neste artigo como a vinhaça é utilizada atualmente – suas vantagens e desvantagens de utilização, além de como tecnologias futuras podem transformar este resíduo em um recurso ainda mais valioso para outros processos.

Composição química: Qual é o principal nutriente fornecido pela vinhaça? 

A vinhaça apresenta altos teores de potássio e enxofre, além de quantidades significativas de nitrogênio, cálcio e magnésio, o que favorece o uso direto dessa água residuária em áreas agrícolas por meio da fertirrigação.

Outra característica marcante é o pH ácido (pH 3,5-5) e a coloração marrom escura devido à presença de melanoidinas, além do odor desagradável.

Os teores exatos de nutrientes presentes no restilo variam grandemente em função do processo industrial a partir do qual ela é obtida. Se o restilo for derivada do mosto de melaço os teores de potássio serão superiores aos obtidos pelo restilo proveniente do mosto misto ou do mosto de caldo, por exemplo (Figura 1).

Figura 1. Composição média da vinhaça resultante de diferentes mostos. Fonte: Glória e Orlando Filho (1983).

Além das técnicas empregadas no processamento do mosto e de particularidades locais, as características do vinhoto também dependem da matéria-prima utilizada (Tabela 1).

Tabela 1. Características físico-químicas da vinhaça de várias matérias-primas. Fonte: Hoarau et al. (2018).

Matéria-prima	Melaço de cana-de-açúcar	Caldo de cana-de-açúcar	Milho	Melaço de beterraba
pH	3,9-4,3	4,04	3,3-4	5,35
DQO g/L	104-134,4	30,4	59,4-64,5	91,1
DBO g/L	46,1-96	16,7	26,9-43,1	44,9
N g/L	1,66-4,2	0,63	0,55-0,75	3,57
S g/L	3,24-3,42	1,35	2,99	3,71
P g/L	0,22-3,03	0,13	0,228-1,170	0,16
K g/L	9,6-17,47	1,95	n.d.	10,0

Os altos teores de sulfato existentes na vinhaça são devido ao uso de ácido sulfúrico em etapas específicas da produção de açúcar e etanol.

Devido à sua alta carga poluidora, caracterizada por alta demanda química de oxigênio, alto teor de sais e cor escura pesada, a despoluição deste efluente é obrigatória antes do lançamento na natureza e descarte do resíduo. 

O que se faz com a vinhaça? 

Praticamente toda a vinhaça produzida no Brasil hoje é destinada à fertirrigação das lavouras de cana-de-açúcar.

Como os teores de potássio – principal nutriente fornecido – variam grandemente em função do processo de obtenção, é importante que o produtor conheça seus teores na vinhaça que será utilizada em seu canavial.

De modo geral, a vinhaça tem capacidade de suprir 100% da demanda da cana-de-açúcar por nitrogênio e enxofre.

Ela também é importante para a disponibilização de água no canavial na época da seca, que ajudará na rebrota dos canaviais.

O transporte deste resíduo para o campo agrícola (seja com caminhões ou oleodutos) depende estritamente no raio de distribuição econômica, que limita a distância a partir da qual o transporte do efluente é economicamente inviável e indica que a adubação mineral é mais atrativa (FUESS et al. 2017).

Assim, devido à definição do raio econômico, a vinhaça gerada não será aplicada em toda a área de cultivo de cana-de-açúcar, sugerindo a concentração de uma grande variedade de compostos orgânicos e compostos inorgânicos (Tabela 1) dentro de uma região específica dos solos agrícolas.

Existem duas principais desvantagens dessa prática, tanto no aspecto ambiental quanto energético da utilização da vinhaça na fertirrigação dos canaviais (FUESS et al. 2017):

• Primeiro, embora alguns estudos indiquem resultados benéficos da disposição da vinhaça nas terras, considerando aplicações de curto prazo (ou seja, de alguns meses a dois a três anos), sua disposição contínua em lavouras de cana-de-açúcar tende a gerar uma ampla gama de efeitos negativos sobre solos, recursos hídricos e culturas devido às características poluidoras da vinhaça.
• Em segundo lugar, o alto conteúdo orgânico biodegradável normalmente encontrado na vinhaça caracteriza esse efluente como um subproduto altamente energético da cadeia produtiva do etanol; assim, a fertirrigação também promove uma perda de bioenergia.

Critérios para uso: qual dose de vinhaça pode ser aplicada no canavial?

A dose a ser aplicada no canavial é estabelecida pela norma CETESB P.4 231 e será governada principalmente pelo teor de K presente na vinhaça que será aplicada no canavial.

m³ de vinhaça por hectare = [(0,05 x CTC x KS) x 3744 +185] / KVI

Onde:

• 0,05 = 5% da CTC
• CTC expressa em cmol_c dm^-3
• KS: K no solo expresso em cmol_c dm^-3, na profundidade 0,8m
• 3744 – Constante de conversão
• 185 – Estimativa de extração de K pela cana
• KVI – Concentração de K na vinhaça expressa em kg K₂O m³

Vinhaça in natura, concentrada e enriquecida- quais as diferenças?

A vinhaça “in natura” é aquela obtida diretamente no processo industrial.

A vinhaça concentrada é aquela obtida a partir da evaporação da água e manutenção dos nutrientes na fração orgânica da vinhaça “in natura”. Junto ao MAPA ela está regulamentada como fertilizante orgânico.

Caso ocorra a adição de algum elemento considerado nutriente de planta, a vinhaça concentrada pode ser comercializada e classificada como fertilizante organomineral.

A vinhaça enriquecida é formada pela adição de nutrientes junto a vinhaça, a qual pode ser in natura ou concentrada – onde tem-se então, a formação de um fertilizante organomineral.

Quais são as vantagens da vinhaça? 

Utilizar o vinhaça na fertirrigação dos canaviais (considerando as doses recomendadas dentro das normas CETESB) traz inúmeras vantagens ao produtor, como:

• Fornecimento de nutrientes essenciais ao crescimento da cana
• Alto teor de matéria orgânica – relação com a estrutura do solo e retenção de água nas camadas do solo
• Melhora a fertilidade do solo a longo prazo
• Ganhos de produtividade
• Redução de custos

Quais são as desvantagens da vinhaça? 

A fertirrigação é atualmente é atualmente a principal alternativa para o reaproveitamento da vinhaça. No entanto, a prática contínua e monitorada pode causar problemas como:

• Salinização do solo
• Acidificação do solo
• Contaminação dos corpos d’água
• Lixiviação dos nutrientes no perfil do slo
• Liberação de maus odores
• Além disso, os custos associados ao transporte da vinhaça das indústrias processadoras para as áreas fertirrigadas podem inviabilizar economicamente esta técnica.

As implicações agronômicas e ambientais dos efeitos adversos do uso da vinhaça na fertirrigação são trazidos na tabela 2.

Tabela 2. Impactos potenciais associados à fertirrigação do solo com vinhaça de cana-de-açúcar. Fonte: Fuess et al. (2017)

Efeito adverso	Implicação
Salinização do solo	– Redução no potencial osmótico do solo – Toxicidade de íons específicos (SO42-, Na+, K+) – Redução na absorção de água e nutrientes pelas plantas – Perturbação da estrutura do solo – Lixiviação de sais para águas subterrâneas
Sodificação do Solo	– Perturbação da estrutura do solo – Redução severa na taxa de infiltração de água – Queimadura e necrose do tecido foliar em plantas
Sobrecargas orgânicas (solo e corpos de água)	– Depleção dos níveis de oxigênio – Estabelecimento de condições anaeróbicas locais – Redução da atividade microbianaa – Aumento da instabilidade estrutural do solo
Superfertilização do solo (excesso de N e P)	– Aumento da suculênciab das plantas – Alterações na atividade nitrificante e desnitrificante do solo – Depleção dos níveis de oxigênio por bactérias nitrificantes – Liberação potencial de óxidos de nitrogênio (N2O) – Toxicidade da amônia (NH3) (organismos aquáticos) – Lixiviação de nitratos (NO3–)C – Eutrofização de corpos d’água (excesso de P)
Acidificação permanente (solo e água)	– Alteração na capacidade tampão do solo Solubilização de metais fitotóxicos (Al e Fe) Redução na produtividade da lavoura Redução na atividade microbianad

Alternativas para o aproveitamento do vinhoto

Outras abordagens tecnológicas para o manejo do vinhoto, além da utilização na fertirrigação, são encontradas na literatura.

No Brasil os projetos de aproveitamento incluem a produção de fertilizantes organominerais, a produção de biogás (metano) e a geração de eletricidade (Figura 2).

Figura 2. Possíveis formas de aproveitamento da vinhaça. Fonte: Silveira, 2015.

Da usina (1), a vinhaça é levada para o biorreator (2), onde microrganismos transformam a matéria orgânica do resíduo em biogás. Esse gás é levado para a produção de energia elétrica em um gerador (3). Se purificado, pode ser usado como gás natural em veículos ou em cozinhas. Ainda sobram da biodigestão a matéria orgânica residual (4), possível de ser utilizada como fertilizante, e a água do processo, que pode ser levada de volta à usina para usos variados.

De acordo com revisão de literatura realizada por Hoarau et al (2018), as principais formas potenciais de aproveitamento da vinhaça convertendo este resíduo a um recurso valioso são:

Produção de fertilizantes organominerais

Uma alternativa à fertirrigação seria a utilização da vinhaça como matéria-prima da produção de fertilizantes organominerais.

Apesar de pouco explorada, é uma alternativa de grande potencial, visto que a vinhaça contém grande quantidade de nutrientes essenciais ao crescimento das plantas.

A conversão da vinhaça em fertilizantes organominerais amortizaria a variabilidade convencionalmente observada para a composição da vinhaça bruta.

Portanto, a aplicação de fertilizantes organominerais poderia potencialmente se tornar mais eficaz em comparação com seu uso como fertilizante líquido (práticas de fertirrigação).

Algumas vantagens e desvantagens da produção de fertilizantes organominerais são apresentados na Figura 3.

Figura 3. Desvantagens da utilização da vinhaça na fertirrigação dos canaviais e vantagens e desvantagens da produção de fertilizantes organominerais a partir da vinhaça.

Produção de biogás (metano) por digestão anaeróbia

Os processos biológicos mostram-se promissores para o tratamento da vinhaça. A produção de biogás (metano) através da digestão anaeróbia é o método mais desenvolvido e economicamente viável.

Esse método envolve a atividade de uma comunidade microbiana que degrada compostos orgânicos presentes na vinhaça em etapas sequenciais.

Primeiro, os compostos orgânicos são hidrolisados em ácidos graxos de cadeia curta, como lactato, propionato e butirato.

Em seguida, esses ácidos graxos são degradados em acetato e H₂/CO₂. Por fim, ocorre a metanogênese, na qual o acetato e o H₂/CO₂ são convertidos em metano.

Esse processo pode ser otimizado usando diferentes tipos de reatores, como os de alta taxa. Além disso, a adição de hidrogênio também melhora as características do metano produzido.

A produção de biogás a partir da vinhaça é uma abordagem atrativa e vantajosa, pois reduz o consumo de gás e a quantidade de água utilizada na indústria de etanol.

Além disso, o metano produzido pode ser utilizado como gás natural comprimido, considerado uma opção mais limpa em comparação com a gasolina ou diesel.

Já existem projetos para que os caminhões de usinas no futuro sejam movidos a metano. Inclusive o biometano está incluído no RenovaBio.

Produção de produtos unicelulares

Além do biogás, a vinhaça pode ser utilizada como meio de crescimento para a produção de produtos unicelulares, como lipídios, proteínas, ácidos orgânicos, álcoois e enzimas. Esses compostos têm aplicações diversas em diversos setores industriais.

Entre as possibilidades, destacam-se a produção de etanol, butanol e xilitol a partir da vinhaça.

Além disso, o ácido lático, que possui diversas aplicações industriais, pode ser obtido através da fermentação da vinhaça com o uso de micro-organismos.

A vinhaça também é uma fonte para a produção de enzimas e outras substâncias úteis. Dessa forma, o aproveitamento da vinhaça como meio para produção de moléculas de interesse é uma abordagem promissora para valorizar esse subproduto e reduzir custos de produção.

Produção de biodiesel de terceira geração

Estão sendo desenvolvidas tecnologias para produzir biodiesel de terceira geração a partir da vinhaça. Essa abordagem visa complementar e competir com os combustíveis derivados do petróleo, promovendo uma economia mais sustentável.

O biodiesel pode ser produzido a partir de lipídios neutros por meio da transesterificação, e novas fontes microbianas, como microalgas, leveduras e fungos, estão sendo desenvolvidas.

Os microorganismos oleaginosos conseguem acumular mais de 20% do peso seco como lipídios, com altas produtividades.

Leveduras como Yarrowia lipolytica, Rhodotorula mucilaginosa, Rhodotorula glutinis e Candida vini podem ser utilizadas na produção de biodiesel a partir de vinhaça com adição de glicerol ou melaço.

Fungos filamentosos, como Mucor circinelloides, também produzem óleo a partir da vinhaça, especialmente com suplementação de glicerol.

A combinação de microalgas e leveduras, como Rhodosporidium toruloides e Chlorella pyrenoidosa, mostrou resultados promissores na produção de lipídios a partir de águas residuais de destilaria e águas residuais municipais.

Produção de hidrogênio

Processos de produção de hidrogênio a partir da vinhaça estão emergindo como uma alternativa para uma economia descarbonizada a longo prazo, proporcionando uma fonte de energia limpa e renovável.

A vinhaça pode ser utilizada para produção de biohidrogênio por meio do processo de fermentação anaeróbica.

Esse método envolve a atividade de microorganismos que degradam compostos orgânicos presentes na vinhaça, produzindo hidrogênio.

O biohidrogênio é considerado um combustível limpo, eficiente e amigável ao meio ambiente, pois após a combustão, produz apenas água. A fermentação anaeróbica apresenta diversas vantagens, como uma taxa de produção de hidrogênio mais alta, tanto durante o dia quanto à noite, em comparação ao processo fototrófico.

No entanto, existem fatores que limitam a produção real de hidrogênio na fermentação, como a formação de pequenas moléculas, como ácido lático e ácido butírico, que não são convertidas pelo processo fermentativo.

Além disso, o risco de consumo adicional de hidrogênio dissolvido no meio também pode limitar a produção.

Para superar essas limitações, algumas abordagens têm sido implementadas, como o uso de processos termofílicos para reduzir a solubilidade do hidrogênio no meio e a utilização de eletrofermentação para melhorar o rendimento de hidrogênio.

Também foram realizados estudos para integrar a produção de hidrogênio com a acumulação de poli-hidroxialcanoato, proporcionando benefícios econômicos e reduzindo a acidificação do meio.

Assim, a produção de biohidrogênio a partir da vinhaça pode ser uma alternativa promissora e sustentável para o aproveitamento desse subproduto da indústria de etanol.

Conclusões 

A vinhaça, anteriormente considerada um problema de descarte pela indústria sucroalcooleira, hoje se mostra uma valiosa fonte de nutrientes para a cana-de-açúcar, amplamente utilizada na fertirrigação dos canaviais.

Seu alto teor de potássio, enxofre e outros nutrientes essenciais contribui para o crescimento saudável das plantas, aumentando a produtividade e reduzindo custos para os produtores.

No entanto, apesar das vantagens da fertirrigação com vinhaça, é importante destacar as desvantagens associadas a essa prática contínua, como a salinização e acidificação do solo e contaminação dos corpos d’água.

Portanto, é fundamental implementar medidas de monitoramento e controle para garantir a sustentabilidade ambiental e agronômica dessa prática.

Além da fertirrigação, as perspectivas futuras para o aproveitamento da vinhaça são promissoras, com possibilidades como a produção de fertilizantes organominerais, biogás, produtos unicelulares, biodiesel de terceira geração e até mesmo biohidrogênio.

Essas alternativas visam tornar a vinhaça um recurso ainda mais valioso e contribuir para uma economia mais sustentável e descarbonizada.

Em suma, o crescente desenvolvimento de tecnologias e abordagens inovadoras para o manejo da vinhaça representa uma importante evolução na indústria sucroalcooleira, transformando um resíduo malcheiroso em um recurso valioso, com benefícios tanto econômicos quanto ambientais.

O aproveitamento consciente e responsável da vinhaça é essencial para garantir a eficiência produtiva, a preservação do meio ambiente e a busca contínua por práticas mais sustentáveis na produção de etanol.

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Referências 

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FUESS, L.T.; RODRUGUES, I.J.; GARCIA, M.L. Fertirrigation with sugarcane vinasse: Foreseeing potential impacts on soil and water resources through vinasse characterization. Journal of Environmental Science and a Health. p. 01-10, 2017. DOI: 10.1080/10934529.2017.1338892

GLÓRIA, Glória, N. A.; Orlando Filho, J. Aplicação de vinhaça como fertilizante. São Paulo: Coopersucar, 1983. 38p.

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SILVEIRA, E. Vinhaça para gerar energia. Pesquisa FAPESP, v. 238 p. 68-71, 2015.

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