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

Dimensionamento dos reatores para a fermentação descontínua

O número de reatores e os respectivos volumes necessários para a produção adotada foram calculados para a fermentação descontínua considerando os modos em batelada alimentada (alimentação do mosto ao reator com consumo de substrato e formação de células e produto) seguido de um período em batelada (consumo de substrato e formação de células e produto). O volume inicial V0 adotado foi de 1/3 do volume útil do reator (Andrietta, 1994). Os tempos adotados foram de 4 horas de alimentação (período em batelada alimentada tA) e 30 minutos sem alimentação (período em batelada tB). O tempo de limpeza de cada reator tL foi fixado em 30 minutos, assim como o tempo de enchimento do volume inicial com células tC. As concentrações de açúcares redutores totais no mosto, bioetanol presente na corrente de reciclo de células e a concentração de células na corrente de reciclo foram consideradas para serem compatíveis com as praticadas pela indústria: 200 g/L, 15 g/L e 90 g/L, respectivamente. A concentração de células na alimentação e a concentração inicial de substrato no reator foram admitidas nulas.

O volume e o número de reatores (em paralelo) considerados para o processo descontínuo foram calculados para se obter sempre um fluxo constante de fermentado ao se analisar o processo globalmente. Para isso foi necessário utilizar equações que relacionam as várias divisões de tempo adotadas nos estágios da alimentação, fermentação, descarga e manutenção com vazão desejada, encontrando-se assim o volume total necessário, bem como a quantidade de reatores. A operação descontínua é conduzida em regime transiente, sendo necessária a resolução do sistema de equações diferenciais no Software Excel pelo método de Euler com passo de integração de 0,001 h.

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Dimensionamento dos reatores para fermentação contínua

O número de reatores e os respectivos volumes necessários para a produção especificada foram calculados para a fermentação contínua admitindo-se uma configuração de reatores em série, com alimentação de mosto e de células apenas no primeiro reator e retirada de fermentado apenas no último reator. A razão entre as vazões de alimentação de substrato e reciclo de células é análoga à distribuição de volumes V e V0 do processo descontínuo. Foi admitida também a concentração final de substrato igual à obtida no processo descontínuo. As concentrações de alimentação são semelhantes às apresentadas no processo descontínuo, diferenciando-se pela adição de um misturador hipotético como recurso para viabilizar os cálculos, já que a alimentação de células e substrato, diferentemente do processo descontínuo, é feita simultaneamente.

Foram adotadas três condições de cálculo: (i) volumes reacionais iguais para todos os reatores, para se estimarem quantos reatores seriam necessários para alcançar a concentração de saída de substrato fixada; (ii) “produtividade máxima” calculando-se a concentração de substrato na saída do primeiro reator para maximizar a produtividade de produto, sendo os demais volumes dos reatores da série calculados objetivando volume mínimo, ou seja, determinaram-se as concentrações de substrato de saída desses que minimizassem os volumes dos reatores; (iii) “volumes mínimos”, determinando-se as concentrações de substrato na saída de cada reator para minimizar o volume reacional total do sistema. Tanto na condição (ii) quanto na condição (iii) o último reator da série é calculado pela concentração final adotada no processo.

Além dessas condições, realizou-se uma outra (iv) cuja estratégia foi converter o modo de operação descontínuo (configuração em paralelo) para o modo de operação contínuo (configuração em série) com as seguintes premissas: mesmas condições iniciais/alimentação e finais/saída das estratégias descontínua e contínua, utilizando-se o volume de reator obtido no dimensionamento do processo descontínuo. A operação contínua é conduzida em regime permanente, sendo necessária a resolução do sistema de equações algébricas pela ferramenta Solver do Software Excel.

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