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19 de outubro de 2016

Petróleo & Energia: Otimização do dimensionamento de reatores dos processos descontínuo e contínuo de produção de bioetanol

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Publicado por: Petroleo e Energia
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    Texto: Bruno C. S. LeaL, Renato P. FranCo, Adinéia F. de Souza, GuStavo B. DiaS, Suzana M. Ratusznei e JoSé A. D. RodriGueS *

    *Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia, Praça Mauá 1, CEP 09580-900, São Caetano do Sul, SP ([email protected]).

    Este trabalho desenvolveu, sob condições operacionais tipicamente encontradas na indústria, a comparação de dois tipos de processo para a produção de bioetanol: fermentação descontínua (batelada alimentada seguida de batelada) e fermentação contínua. A metodologia constou do dimensionamento dos reatores para se obter o menor volume reacional possível para uma produção fixada em 600 m³/dia de bioetanol hidratado (92,5º INPM). Para o sistema descontínuo, o critério de projeto foi o número mínimo de reatores e a minimização dos volumes reacionais. Para o sistema contínuo, os critérios de projeto foram: (i) volumes iguais; (ii) condição de produtividade máxima seguida de volume mínimo; (iii) condição de volume mínimo e (iv) adaptação de uma planta operando de modo descontínuo para o modo contínuo. Os resultados mostraram que a fermentação contínua requer menores volumes reacionais (4 reatores em série, totalizando um volume de 1845 m³), cerca de 60% do necessário para a fermentação descontínua (5 reatores de volumes iguais operando em paralelo, totalizando um volume de 2650 m³). A análise prática das concentrações obtidas nos reatores contínuos mostrou que uma implantação mais viável, com concentração final de substrato inferior a 1,0 g/L considera 3 reatores em série, totalizando 1537 m³. Nesse contexto, o processo contínuo apresenta vantagens na sua implantação e na adaptação de processos descontínuos existentes, apesar de a fermentação descontínua ser a mais utilizada no Brasil.

    INTRODUÇÃO

    O Brasil atualmente é o segundo maior produtor mundial de bioetanol (Unica, 2014) e a busca pelo aumento da produtividade e rendimento requer a comparação entre o processo descontínuo e o contínuo. Porém, ainda não há consenso, pois, apesar de mais de 90% das indústrias alcooleiras utilizarem o processo descontínuo (Amorim, 2005), alguns trabalhos defendem os processos contínuos, com a justificativa de que as possibilidades de melhoria foram pouco estudadas (Andrietta, 1994).

    Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo principal comparar o dimensionamento dos dois processos de produção de bioetanol pela fermentação do caldo da cana de açúcar, definidos em função do modo de operação: o processo descontínuo e o contínuo. As premissas utilizadas foram o modelo cinético, a produção diária de bioetanol hidratado e a conversão de substrato. Assim, foram analisados diferentes aspectos de projeto dos volumes e número de reatores referentes a critérios de otimização da produtividade para os dois modos de operação.

    METODOLOGIA

    O estudo de caso realizado consistiu do dimensionamento de fermentadores (de uma planta de médio porte, considerando as indústrias instaladas no Brasil) destinados a atender uma destilaria com capacidade de produção total de 600 m³/dia de bioetanol hidratado com 92,5º INPM.

    Modelo cinético para as fermentações descontínua e contínua

    O modelo cinético adotado foi o proposto por Tosetto (2002) (Equação1), que admite a inibição da velocidade de crescimento celular pelo substrato e pela toxidade do etanol formado durante o processo. A relação entre a velocidade específica µ e as velocidades de crescimento celular µX, de consumo de substrato µS e de formação de produto µP são mostradas nas Equações (4), (5) e (6). As relações que determinam o valor da velocidade específica máxima de crescimento µmax e a concentração máxima de produto CPmax são mostradas nas equações (2) e (3).

    Petróleo & Energia, Petróleo & Energia: Otimização do dimensionamento de reatores dos processos descontínuo e contínuo de produção de bioetanol

    Petróleo & Energia, Petróleo & Energia: Otimização do dimensionamento de reatores dos processos descontínuo e contínuo de produção de bioetanol

    Nelas, µ é velocidade específica de crescimento; µmax é a velocidade específica máxima de crescimento; KS (21,0 g-S/L), KI (15,5 g-S/L) e YN (0,7) são constantes cinéticas; CS é concentração de substrato; CP a concentração de produto; CPmax é a concentração máxima de produto; YX/S (0,033 g X/g-S) é o fator células-substrato; YP/S (0,445 g-P/g-X) é o fator produto-substrato; ß é a produção não associada ao crescimento; kd é a constante de morte celular; mS é a constante de consumo de substrato para manutenção celular; K0 (895,6 g-P/L), A (4,5×1010 h-1) e a (-0,0676 °C-1) são as constantes relacionadas à temperatura T de reação (fixada em 32°C); E (1,54×104 cal/mol) é energia de ativação e R (1,987 cal/K mol) é constante dos gases. As constantes de morte, manutenção e formação de produto não associada ao crescimento podem ser desprezadas (Andrietta, 1994; Tosetto, 2002).


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