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PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL DA CANA DE AÇÚCAR, CINÉTICA DE FERMENTAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DO FERMENTADOR

Felipe Macedo Castilho, fm.castilho@hotmail.com

Francisco de Assis Bertini Moraes,franciscobertini25@gmail.com

RESUMO: Dentre os combustíveis mais utilizados atualmente temos o Etanol, como forma alternativa ambiental, econômica e social, tem como principal matéria-prima a cana-de-açúcar, sendo a principal destilaria concentradas no estado de São Paulo. O presente trabalho visou determinar a cinética química de fermentação do caldo de cana-de-açúcar para a produção do etanol, a partir de dados cinéticos de fermentação de destilaria do estado de São Paulo, propiciando o dimensionamento de fermentadores para produção de 1000 ton./dia de etanol hidratado. A partir destes dados cinéticos foi possível determinar o tempo de fermentação de 15 horas, sendo necessário oito fermentadores de 100 m3 cada para suprir a produção desejada.

Palavras Chaves: Etanol, fermentação, cinética química, fermentador.

ABSTRACT: Among the most used fuels currently we have Ethanol, as an alternative environmental, economic and social form, its main raw material is sugarcane, being the main distilleries concentrated in the state of São Paulo. The present work aims to determine the chemical kinetics of fermentation of sugarcane juice for ethanol production, based on distillery fermentation kinetic data from the state of São Paulo, providing the sizing of fermenters for production of 1000 tons. / day hydrous ethanol. From these kinetic data it was possible to determine the fermentation time of 15 hours, requiring eight fermenters of 100 m3 each to supply the desired production

KEY WORDS: Ethanol, fermentation, chemical kinetics, fermenter.

1.INTRODUÇÃ

Atualmente existem cerca de 400 destilarias de etanol no Brasil, a maioria concentrada no estado de São Paulo. As melhores destilarias produzem em torno de 80 litros de etanol para cada tonelada de cana processada.

Conforme pesquisa realizada sobre demanda de mercado, abaixo na Figura 1 são disponibilizadas informações referentes à oferta de etanol hidratado e anidro de acordo com dados recolhidos entre os anos 2000 até estimativa para o ano de 2025 (2).

Figura 1: Oferta de Etanol Total (Período: 2000 até 2025)

Fonte: CONAB (2016), EPE, MAPA (2016)

Neste cenário, as projeções de crescimento médio anual indicam um aumento anual da demanda de etanol da ordem de 3.000 a 4.000 m³/dia para os próximos anos, o que permite a instalação de plantas de grande porte, ou seja, da ordem de 1000 a 2000 m³/dia, dependendo das limitações em terras, plantações de cana-de-açúcar, logística, etc.

Sendo assim, neste cenário de constante inovação no processo químico para aumento de produtividade, o objetivo deste trabalho foi determinar a cinética de fermentação do caldo cana para a produção de etanol, considerando dados cinéticos de fermentação de destilarias em operação na região central do estado de São Paulo e através das técnicas de projetos de reatores bateladas utilizadas nos cursos de engenharia química, propiciar o dimensionamento de um fermentador para a produção de 1000 ton. dia de etanol hidratado. Com os resultados obtidos, os resultados foram compararados com os fermentadores instalados nas destilarias propiciando uma análise técnica-operacional e econômica dos resultados obtidos.

Esperou-se com este trabalho, contribuir como exemplo de metodologia de dimensionamento básico de fermentadores, para utilização industrial com confiabilidade necessária ao investimento de capital. Desta forma, profissionais de projeto industrial, operação de processos químicos e da área acadêmica, podem utilizar como exemplo de estudo de caso.

2.DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ÁLCOOL

A Figura 2, abaixo ilustra o fluxograma geral de fabricação de álcool, onde após a colheita da cana-de-açúcar, ocorre o transporte da cana-de-açúcar até a área industrial:

Figura 2 – Etapas do processo de fabricação de etanol de cana de açúcarFonte: Shreve, 2012

A cana-de-açúcar é descarregada, passando pelo picador e desfibrador, e transportada para moagem, onde se inicia o processo de fabricação de etanol, de energia elétrica e do açúcar

A figura 3 demonstra seguintes etapas da fabricação do álcool como o recebimento e lavagem, picagem:

.

Figura 3 – Recebimento, lavagem, picagem e desfibramento da cana de açúcar

Fonte: Mundo da Cana, 2016

A cana-de-açúcar é preparada para a extração do caldo, por meio da moenda ou difusor. No final dessa fase o caldo é separado do bagaço.

Figura 4 – Esquema e fotos do processo de moagem da cana de açúcar

Fonte: Mundo da Cana, 2016

O bagaço é queimado nas caldeiras para gerar o vapor. Este vapor de alta pressão é enviado às turbinas dos geradores de eletricidade, transformando grande parte da energia térmica em energia elétrica. Cerca de 35% de energia elétrica gerada é utilizada na unidade para a fabricação de açúcar e etanol e 65% é destinada para a iluminação de residências, cidades ou indústrias de diversos segmentos.

O caldo que sai do processo de extração passa por um tratamento para remover as impurezas minerais. São utilizados aquecedores, decantadores, turbo filtros e filtros para clarificar o caldo, deixando-o preparado para o processo produtivo de etanol e açúcar. O caldo clarificado entra em um evaporador para concentração do caldo de aproximadamente 14 para 20 Brix, evaporando grande parte da água adicionada na moagem. Antes da fermentação é resfriado por troca térmica com o caldo frio oriundo da moagem e em seguida adicionado melaço e resfriado em trocadores de calor de placas com água de fábrica até o caldo atingir uma temperatura de cerca de 30 C.

Figura 5 – Processo de tratamento do caldo na produção de etanol

Fonte: Mundo da Cana, 2016

A fermentação é em sistema de batelada e utiliza o caldo tratado das leveduras (fermento). A reação de transformação dos açúcares em álcool e gás carbônico ocorre nos fermentadores, este é um processo bioquímico realizado pelas leveduras. Após a fermentação, a levedura é separada do vinho e recuperada por meio de um processo de centrifugação. As leveduras recuperadas em pré-fermentadores são tratadas e retornam ao processo fermentativo.

A fermentação ocorre em tanques denominados dornas de fermentação onde o mosto é misturado com o fermento tratado / pé-de- cuba na proporção de 2:1, respectivamente. Os açúcares (sacarose, glicose e frutose) são transformados em álcool, pela fermentação com os fungos Saccharomyces cerevisae, segundo a reação abaixo:

Figura 6 – Processo de fermentação do caldo tratado para produção de etanol

Fonte: Lopes, 2008

Após o processo de separação das leveduras do vinho, o vinho sem leveduras e com teor alcoólico em torno de 10%, vai para os aparelhos de destilação onde o álcool é separado, concentrado e purificado até 96% para o etanol hidratado ou 99,6% para o etanol anidro quando se utiliza processos de desidratação do etanol.

Figura 7 – Processo de destilação para produção de etanol

Fonte: Souza, 2013

Em seguida, o combustível é armazenado em grandes tanques distintos, cuja capacidade pode alcançar 20 mil/m3 cada.

Figura 8 – Armazenagem de etanol

Fonte: Mundo da Cana, 2016

Ao lodo retirado do decantador é adicionado bagacilho para ajudar na filtração do caldo filtrado. Portanto, esse filtrado de açúcar deve ser recuperado e separado das impurezas na forma de caldo filtrado. A torta extraída do filtro prensa deve ser completamente coberta com lavagem contínua de água quente a 80 C.

3.CINÉTICA E DIMENSIONAMENTO DA FERMENTAÇÃO

Na fermentação de um substrato (S) do tipo ART (sacarose, açúcar redutores totais), por um determinado micro-organismo (X) como a Saccharomyces cerevisae, tem-se como produtos da reação de fermentação o álcool etílico (P), o glicerol (G) e ácidos orgânicos, além da massa de proteína gerada pela reprodução dos microrganismos.

Figura 9 – Formação de produtos da fermentação alcoólica

Fonte: AMORIM; BASSO; ALVES, 1996

Sendo: S: Concentração de Substrato, X: Concentração de Micro-organismos (celular), P: Concentração de Produto Objetivo (álcool etílico), G: Concentração de Produto Secundário (glicerol)

3.1. Cinética Bioquímica Fermentativa

Dados cinéticos são obtidos em laboratório, a fim de fornecer a taxa de consumo de substrato (rS= dS/dt), reprodução de microrganismo (rX = dX/dt), formação do álcool etílico (rP = dP/dt) e glicerol (rG = dG/dt).

Figura 10 – Variação dos parâmetros de fermentação

Fonte: Autor, 2019

Podemos definir também as velocidades específicas de transformação como a taxa de crescimento ou formação pela massa correspondente no biorreator:

A velocidade específica pode ser representada por diversos modelos elaborados e estudados nos últimos 100 anos, sendo o mais simples e amplamente conhecido por ser o percursor de diversos outros, o modelo de Monod:

Figura 11 – Variação da velocidade específica em função da concentração de substrato

Fonte: Autor, 2019

O significado de Ks pode ser deduzido fazendo S = Ks na equação de MONOD resultado em que Ux = Um/2, ou seja, Ks representa a concentração S onde a velocidade específica é metade do seu valor máximo, ou a afinidade do microrganismo com o nutriente

Além do modelo de Monod, existem outros que merecem ser mencionados, apesar de não considerarem o efeito de inibição, fator de influência já extensamente estudado e comprovado na cinética da fermentação.

Principalmente na utilização de um biorreator descontínuo, onde há um crescente acúmulo de metabólitos que acabam interferindo desfavoravelmente sobre o metabolismo e crescimento, ocorre o que chamam de inibição do crescimento celular. O problema poderia ser atenuado se fosse, por exemplo, utilizado um valor inicial relativamente baixo da concentração do substrato (S) e que assim resultasse em baixas concentrações de produtos inibidores. No entanto, trata-se de uma alternativa inviável industrialmente.

O efeito dos substratos se manifestar quando um valor alto da concentração inicial S pode, ao invés de aproximar μx de μm, provocar um efeito contrário, ocasionando uma inibição no crescimento celular.

Este fenômeno está ilustrado na figura abaixo, onde se pode verificar que a expressão de MONOD somente se aplica para valores relativamente baixos de S, menores ou iguais a Ks.

Acima deste, onde a inibição pelo substrato se manifesta, a curva tende para μm até um certo valor de S, para depois se afastar, a partir deste valor.

Figura 12 – Efeito de inibição na velocidade específica

Fonte: Autor, 2019

Com o objetivo de explicar essa redução na velocidade específica de crescimento (μx), provocada pelos altos valores iniciais da concentração de substrato (S), uma modificação na expressão de MONOD, foi proposta:

Nessa nova expressão, que traduz o andamento da curva “Com Inibição” no gráfico anterior, Ks é a constante de saturação já definida na equação de MONOD.

KIs, por outro lado, é a constante de inibição pelo substrato que se refere, como Ks, ao valor de S para o qual μx = μm/2, porém para um valor de S que provoque inibição, sendo assim superior ao correspondente S da equação de MONOD.

3.2. Métodos de Ajustes de Dados aos Modelos Cinéticos

Programas computacionais para ajustes dos dados obtidos em laboratório aos modelos propostos são comumente utilizados e avaliados conforme o nível de regressão atingido.

Três casos de ajustes de dados, referentes aos modelos de Monod com e sem inibição, desenvolvidos e conhecidos por Michaelis onde se correlaciona a velocidade específica de variação de biomassa (µx) com a concentração de substrato (S), e outro pela aplicação de regressão linear simples em sistemas linearizados.

Primeiramente, o modelo de Monod sem inibição, onde o ajuste é linear:

Figura 13 – Ajuste linear para o modelo de Monod

Fonte: Autor, 2019

Portanto, tendo-se os valores experimentais de X, S, tempo, calcula-se Rx e com estes valores é possível construir o gráfico acima e achar os valores de Ks e Um.

E para o ajuste da equação de Monod com inibição, onde o ajuste é quadrático:

Figura 14 – Curva ajustada para o modelo de Monod com inibição

Fonte: Autor, 2019

Como já citado, uma outra forma de se obter a cinética da biorreação é ajustar, por Regressão Linear ou Mínimos Quadrados, as taxas de biorreação (ri) em função da concentração i , sendo i o substrato (S) ou biomassa (X) ou produto (P), sendo que a grande vantagem deste método de Ajuste por Mínimos Quadrados é que não é necessário encontrar uma relação entre as taxas de biomassa (rx) e taxa de substrato (-rs) ou taxa de produto (rp), para posteriormente realizar o cálculo de integração da taxa e conversão desejada para encontrar o tempo necessário de reação. Observar que os dados devem se restringir a faixa de concentração utilizada.

Como exemplo, ilustram abaixo, os dados de S em função do tempo de fermentação obtidos em laboratório e o cálculo de (rS), para ajuste por mínimos quadrados da curva polinomial de 2ºgrau entre (rS) e S:

Figura 15 – Ajuste polinomial de taxa de fermentação

Fonte: Autor, 2019

A partir da curva polinomial, é possível utilizá-la nos balanços materiais com biorreação, para cálculo de vazões, tempo de residência e volumes necessários dos biorreatores (-rS) = dS/dt = f(S) ou (rP) = dP/t f(P).

3.3 Dimensionamento do Fermentador

Diversos tipos e variações de biorreatores para produção de álcool podem ser considerados, tais como: Fermentação Descontínua, Fermentação Semi contínua, Fermentação Descontínua Alimentada e Fermentação Contínua.

Figura 16 – Fermentador por batelada

Fonte: Autor, 2019

Fermentação descontinua simples, onde o substrato (mosto) e colocado no biorreator (dorna), Esterilizado e posteriormente recebe o inócuo (microrganismo) requerido, ale de produtos suportes para correção de PH (ácido), nutrientes, etc... Após a fermentação, efetuada na temperatura adequada (35 a 37 C) conforme a cinética fermentativa o processo é interrompido e o produto, subproduto e resíduos são separados. A cada nova fermentação é necessário que todas as etapas sejam repetidas.

Fazendo-se um balanço material no reator descontínuo, obtem:

Num sistema fechado, o volume é constante e, portanto, o tempo de reação será:

Para um reagente A, usando a conversão (XS) como variável, em sistemas líquidos ou em gases sem contração ou expansão de volume, temos:

Este é o tempo necessário para atingir uma conversão final Xs, conhecendo-se taxa de reação Rs.

Para projetar o reator batelada devemos considerar, além do tempo de reação tr, o tempo de operação to, considerando-se a parada, o descarregamento, a limpeza, a esterilização e o recarregamento do reator. O tempo total será: t = tr + to

Conhecendo-se o tempo total por batelada (t) e a produção diária desejada de produto, calcula-se a massa necessária de reagente (G) em função da conversão (XS):

Calcula-se o número de bateladas (N) necessária para atingir a produção diária(G) em ton/d e conhecendo-se também a densidade(ρ), calcula-se o volume do reator (Vr):

Nr=24/t:no. Bateladas/d.reator

Gv= G/ρ:m³/d, produção volumétrica

Vr:m³/reator, volume de cada reator

Gr:m³/d. reator, produção volumétrica de cada reator

NR = Gv/Gr :no. de fermentadores de Vr m³ cada

Para calcular as dimensões do reator, normalmente utiliza-se de relações entre altura e diâmetro, considerando um acréscimo de 20 a 30 % na altura útil.

Figura 17 – Dimensões do fermentador

Fonte: Autor, 2019

Figura 18 – Parametros do Fermentador

Fonte: Autor, 2019

4.METODOLOGIA

Para o desenvolvimento e determinação da cinética de fermentação foram utilizados dados cinéticos obtidos com micro-organismos da Usina de Álcool e Açúcar Barra Grande Ltda., que gentilmente forneceu para que testes em laboratório fossem desenvolvidos com um substrato constituído de caldo de cana e melaço, também fornecido pela Usina Barra Grande.

Os dados cinéticos de fermentação alcoólica foram obtidos por Juliano Toniato \ UNESP- Botucatu, Faculdade de ciências agronômicas, em pesquisa realizada em agosto de 2013 e pode ser encontrado em http://www.pg.fca.unesp.br/tese/pdfs/arq1040.pdf e os dados de caracterização e cinética encontra-se tabelado a baixo , cuja a amostra foi obtida na usina Barra Grande

As características dos substratos utilizados são presentadas abaixo:

Figura 19 – Caracteristica da cana de açucar

Fonte: Autors, 2019

Análise quimicas e físicas foram realizadas conforme Joslyn, Methos Food, New york: academic press, 1970 845Pe Coopersucar : amostragem e analise de cana de açucar São Paulo . Centro de tecnologia Coopersucar 2001 80 P. Os testes em laboratório foram desenvolvidos conforme Copersucar (2001), cujos resultados das concentrações versus tempo, são apresentados nas tabelas e gráficos abaixo

Figura 20- variância de fermentação com o tempo Tabela 1 – Dados cinéticos de fermentação

Fonte: Autor, 2019 Fonte: Tounolli, 2011

A partir dos dados de laboratório e utilizando os conceitos discutidos no ítem-3, foi elaborar e desenvolver os cálculos para determinação do melhor modelo da cinética da reação de fermentação da sacarose para álcool. O objetivo é o de propiciar o entendimento da velocidade da reação e determinar o tempo necessário para uma determinada conversão da sacarose em álcool. A partir destes dados, propiciar o dimensionamento do fermentador para a condição pré-estabelecida de conversão.

Como já comentado, a importância do conhecimento da cinética da fermentação envolve toda a faixa de qualidade do caldo de cana a ser consumido para a produção industrial do álcool e permite o adequado projeto do fermentador em termos dimensionais (altura e diâmetro), agitação, a fim de obter o máximo rendimento. Também deve permitir que a fermentação por partes seja possível na faixa de 30 a 50% de retirada de vinho e adição correspondente de caldo de cana a fermentar para cada batelada de produção. Sendo assim, o cálculo do volume necessário para a fermentação alcoólica deve considerar somente 30% do volume necessário total, dada a retirada por partes.

5. RESULTADOS E DISCUSSAO

A partir dos dados de laboratório, foram calculadas as taxas instantâneas de reação e as velocidades específicas, conforme tabela e gráficos abaixo. Vale comentar que os dados obtidos obedecem ä forma da curva em relação ao modelo de Monod com inibição

Tabela 2 – Taxa de velocidade especificas de fermentação

Fonte: Autor, 2019

Figura 21 – Variáveis de fermentação em laboratório

Fonte: Autor, 2019

Também dados de rendimento, a qual relacionam as taxas de biorreação de biomassa em relação ao substrato e em relação ao produto e do produto em relação ao substrato e em relação a biomassa:

Tabela 3- Rendimento da fermentação Figura 22 – Rendimentos da fermentação

Fonte: Autor, 2019 Fonte: Autor, 2019

Como observam pelo gráfico acima, a taxa instantânea de variação na concentração de biomassa pela taxa de variação de substrato (Rendimento – YX/S) pode ser correlacionada com a concentração de substrato, cuja correlação matemática encontrada por mínimos quadrados e indicada pela curva pontilhada no gráfico, ser útil para expressar a taxa de conversão de substrato somente em função da concentração de substrato, conforme equação abaixo :

YX/S = rX/rS = 1,08 x 10^-9 x S^5 – 30,19 x 10^-8 x S^4 + 303,72 x 10^-7 x S^3 – - 1353,63 x 10^-6 x S^2 – 2821^,55 x 10^-5 x S – 2188,53 x 10^-4 queda

Este gráfico ilustra a ocorrência do efeito de inibição pelo substrato na cinética de fermentação, face à redução da taxa de variação de biomassa em relação a taxa de substrato.

5.1- Cálculo da determinação da cinética de fermentação do caldo de cana

O próximo passo é decidir por qual modelo utilizar, cuja escolha dependerá muito da análise dos gráficos apresentados e da disponibilidade de ferramentas computacionais para ajuste de dados laboratoriais aos modelos de interesse do engenheiro responsável pelo projeto. Abaixo os ajustes realizados para os modelos de Monod sem e com inibição e por regressão linear ajustada a um polinômio de 2º Grau:

Figura 23- Ajuste dos dados reais, comparado com os modelos da literatura

Fonte: Autor, 2019

Neste caso específico, utilizaremos o Ajuste por Regressão Linear ou Mínimos Quadrados para um polinômio de 3ºgrau, face à baixa correlação dos dados reais aos modelos de Monod sem e com inibição.

Como já mostrado anteriormente, abaixo os resultados encontrados para a equação da taxa de variação de substrato com a concentração de substrato, a ser utilizada no balanço material nas equações de projeto:

Figura 24 – Ajuste do modelo por regressão linear

Fonte: Autor, 2019

Observa-se pela correlação abaixo, que a produção de etanol é diretamente proporcional ä concentração de substrato, portanto, quanto maior a conversão de substrato (Xs), maior a produção de etanol:

Figura 25 – Ajuste da concentração do etanol

Fonte: Autor, 2019

Considerando que a conversão desejada seja a máxima possível (Xs máx.) e que a concentração de substrato ao da reação pode ser expressa como S = So. (1 – Xs), a equação da taxa de variação de substrato como:rs=[0,00009588.So^3.(1-Xs)³-0,002289.So^2.(1-Xs)²+1,6088.So.(1-Xs)– 21,8065

Sendo So =110,48 g/l, para o sistema estudado, na faixa de concentração de substrato de 10 a 111 g/l, expressar a equação da taxa (rs) em função da conversão (Xs).

5.2 – Determinação da capacidade diária de produção de álcool

A produção desejada é de 1000 ton/dia de álcool hidratado. Utilizando uma densidade de 800 kg/m3, obtemos uma capacidade volumétrica de 1000/0,800 = 1250 m3/dia.

5.3 – Determinação do tempo necessário de fermentação

O tempo de residência foi calculado utilizando a equação de balanço material, já discutida:

Ou seja,

Resolvendo a equação acima pelo método das diferenças finitas, obtem:

Tabela 4 – Integração para determinação do tempo de fermentação

Fonte: Autor, 2019

Baseando-se nos resultados da integração para toda a faixa de conversão, obtem a produção de etanol em função do tempo de residência:

Figura 26 – Determinação do tempo de fermentação

Fonte: Autor, 2019

Observa-se que para conversões acima de 90%, não ocorre aumento na produção de etanol, sugerindo que o reator seja dimensionado para obter-se um tempo de retenção para esta conversão de substrato de 90%, e corresponde a cerca de 14 horas de tempo de fermentação. Portanto, o tempo de operação to = 14 horas.

Necessita-se agora conhecer os tempos de limpeza, carregamento e descarregamento, uma vez que consideram que o aquecimento, esterilização e resfriamento do substrato será feita em outro tanque, logo antes do carregamento.

O sistema de bombeamento e disponibilidade para limpeza permite que o tempo de carregamento, limpeza e descarregamento seja efetuado em 1,0 hora.

Desta forma o tempo total será: t (total) = 15 H

5.4 – Determinação do volume do reator de fermentação e sistema de agitação

Como a produção de etanol desejada é de 1250 m3/dia, então:

N = 24/15 = 1,6 bateladas/dia fermentador

Produção Volumétrica = 1000/0,8 = 1250 m3/dia

Volume de cada Fermentador = 100 m3/batelada

Produção de cada reator = 1,6 bateladas/dia x 100 m3/batelada = 160 m3/dia

No. Fermentadores = 1250/160 = 8 fermentadores de 100 m³-útil cada

O cálculo das dimensões dos tanques fermentadores e do sistema de agitação é mostrado abaixo:

Figura 27 – Fermentador suas dimensões

Fonte: Autor, 2019

Considerando que Ht = 2 Dt, temos que o diâmetro e altura do tanque serão:

· 100 = 3,1416 x Dt² x 2 x Dt / 4 100 = 3,1416 x Dt³ x 2 /4

· Dt³= (100 x4)/(3,1416 x 2) Dt = 4,0 m, HL = 8 m e Ht = 10 m

· O diâmetro do impelidor será 1/3 do diâmetro do tanque:

· Di = Dt/3 Di = 1,35 m

O número de impelidores é dado por >(HL-2Di)/Di e < (HL-Di)/Di

· (8 –2,7)/1,3=4 e (8 – 1,35)/1,35 = 5, No. Impelidores = 4 (Turbina Rushton)

As dimensões dos impelidores seguirão as relações recomendadas pela “International Standarts Organization” – ISO:

· Altura do impelidor em relação ao fundo: C = Di C = 1,35 m

· Largura da pá Rushton: Li = Di/4 Li = 0,35 m

· Altura da pá Rushton: W = Di/5 W = 0,30 m

· Distância entre as pás: Hi = 1,50 m

· Largura das chicanas: Lc = 0,10 Di Lc = 0,135m

Para cálculo da potência dispendida pelo agitador, consideraremos 1,0 HP/m³, o que corresponde a uma forte agitação a N = 100 rpm de rotação:

· Pag = 1,0 x 100 = 100 HP

· Pmotor = 100/0,90 = 110 HP

Abaixo um desenho em escala de dimensões do biorreator:

Figura 28 – Fermentador proposto ao projeto

Fonte: Autor, 2019

6. CONSIDERAÇOES FINAIS

O objetivo de apresentar o processo de produção de etanol da cana de açúcar, assim como determinar a cinética de fermentação e realizar o dimensionamento completo foi totalmente cumprido e detalhado neste trabalho, propiciando mais um estudo de caso para análise de profissionais de projeto industrial, operação de processos químicos e da área acadêmica.

Os resultados obtidos são comparáveis a instalações industriais em operação, principalmente no que tange ao tempo de acetificação obtido de 15 horas, comparável a duas indústrias que apresentam resultados entre 12 a 20 horas, dependendo da qualidade do calde cana e micro-organismos utilizados, o que acaba por influenciar em atingir conversões de cerca de 90 %.

As dimensões dos reatores seguiram normas internacionais e não se verificou distorções consideráveis nas relações utilizadas para o acetificador (altura e diâmetro) e para o impelidor, com variações dentro de uma faixa de +/- 20 %.

Para finalizar, gostaría de comentar que este trabalho nos trouxe a oportunidade de realizar o estudo de um processo com dimensionamento do reator, o que foi de grande valia para nosso aprendizado como projeto final de curso, pois praticam diversas disciplinas do curso e observam que o auto aprendizado é fundamental para o desenvolvimento profissional.

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BATISTA, FABIO RODOLFO MIGUEL. Estudo do processo de destilação alcoólica continua: simulação de plantas industriais de produção de álcool hidratado, álcool neutro e cachaça. Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) – Departamento de Engenharia de Alimentos, 2008. Disponível em: < http://repositorio.unicamp.br/bitstream/REPOSIP/254867/1/Batista_FabioRodolfoMiguel_M.pdf >. Acesso em 01 de maio de 2019

Flavia C.C. Oliveira, Paulo A.Z. Suares e Wildson L.P. dos Santos. Biodiesel: Possibilidades e Desafios, 2008. Disponível em . Acesso em: 01 de abril de 2019.

Gerd Kohlhepp. Análise da Situação da Produção de Etanol e Biodiesel no Brasil. Universidade de Tubingen – Alemanha, 2008. Disponível em: . Acesso em 01 de abril de 2019.

Isaias Macedo. Situação Atual e Perspectivas do Etanol. UNICAMP – Campinas SP, 2007. Disponível em: . Acesso em 01 agosto de 2019.

novaCana.com. Disponível em: . Acesso em 30 de julho de 2019.

novaCana.com. Disponível em: . Acesso em 30 de julho de 2019.

novaCana.com. Disponível em: . Acesso em 30 de julho 2019.

SHREVE R. N.; BRINK JR. J. A. Indústrias de Processos Químicos -4ª edição, 2010. Acesso em 03 de maio de 2019.

SOUZA, B., ALVARES, J. Projeto de uma Coluna de Destilação Didática. UNIFAL – Poços de Caldas MG, 2013.

Acesso em 03 de junho de 2019.

Concentração Etanol (P) x Concentração Substrato (S)

Concentração Etanol (P) versus Concentração Substrato (S)

107.8102.4495.2287.678.767.8955.5142.2231.423.4519.5518.518.218.10000000000000118.05180.242.134.517.4510.9815.0519.57999999999999824.3829.2532.4233.15999999999999733.5633.7633.8233.84000000000000333.85

Concentração Substrato , g/l

Conc. Etanol, g/l

Felipe Macedo Castilho é discente de graduação em Engenharia Química (2019) pela Faculdade Municipal Professor Franco Montoro, Mogi Guaçu, São Paulo. E-mail: fm.castilho@hotmail.com

Francisco Bertini possui graduação em Engenharia Química pela UNICAMP 1983, Mestrado em Engenharia de Produção pela USP/UNIARA, 2011. Experiência de 33 anos como profissional em indústria multinacional e nacional em engenharia de processos químicos, projeto de indústria e gestão da produção química. Professor(a) da Faculdade Municipal Professor Franco Montoro, Mogi Guaçu, São Paulo. E-mail: franciscobertini25@gmail.com

VELOCIDADES ESPECÍFICAS DE TRANSFORMAÇÃOVelocidade Específica de Crescimento Microbiano :μx= 1 . dX Taxa : rx= μ. XX dtVelocidade Específica de Consumo de Substrato :μs= 1 . -dSTaxa : rs= μ. SX dtVelocidade Específica de Formação de Produto :μp= 1 . dPTaxa : rp= μ. PX dtVELOCIDADES ESPECÍFICAS DE TRANSFORMAÇÃOVelocidade Específica de Crescimento Microbiano :μx= 1 . dX Taxa : rx= μ. XX dtVelocidade Específica de Consumo de Substrato :μs= 1 . -dSTaxa : rs= μ. SX dtVelocidade Específica de Formação de Produto :μp= 1 . dPTaxa : rp= μ. PX dtVELOCIDADES ESPECÍFICAS DE TRANSFORMAÇÃOVelocidade Específica de Crescimento Microbiano :μx= 1 . dX Taxa : rx= μ. XX dtVelocidade Específica de Consumo de Substrato :μs= 1 . -dSTaxa : rs= μ. SX dtVelocidade Específica de Formação de Produto :μp= 1 . dPTaxa : rp= μ. PX dtVELOCIDADES ESPECÍFICAS DE TRANSFORMAÇÃOVelocidade Específica de Crescimento Microbiano :μx= 1 . dX Taxa : rx= μ. XX dtVelocidade Específica de Consumo de Substrato :μs= 1 . -dSTaxa : rs= μ. SX dtVelocidade Específica de Formação de Produto :μp= 1 . dPTaxa : rp= μ. PX dtVELOCIDADES ESPECÍFICAS DE TRANSFORMAÇÃOVelocidade Específica de Crescimento Microbiano :μx= 1 . dX Taxa : rx= μ. XX dtVelocidade Específica de Consumo de Substrato :μs= 1 . -dSTaxa : rs= μ. SX dtVelocidade Específica de Formação de Produto :μp= 1 . dPTaxa : rp= μ. PX dtVELOCIDADES ESPECÍFICAS DE TRANSFORMAÇÃOVelocidade Específica de Crescimento Microbiano :μx= 1 . dX Taxa : rx= μ. XX dtVelocidade Específica de Consumo de Substrato :μs= 1 . -dSTaxa : rs= μ. SX dtVelocidade Específica de Formação de Produto :μp= 1 . dPTaxa : rp= μ. PX dtVELOCIDADES ESPECÍFICAS DE TRANSFORMAÇÃOVelocidade Específica de Crescimento Microbiano :μx= 1 . dX Taxa : rx= μ. XX dtVelocidade Específica de Consumo de Substrato :μs= 1 . -dSTaxa : rs= μ. SX dtVelocidade Específica de Formação de Produto :μp= 1 . dPTaxa : rp= μ. PX dtVELOCIDADES ESPECÍFICAS DE TRANSFORMAÇÃOVelocidade Específica de Crescimento Microbiano :μx= 1 . dX Taxa : rx= μ. XX dtVelocidade Específica de Consumo de Substrato :μs= 1 . -dSTaxa : rs= μ. SX dtVelocidade Específica de Formação de Produto :μp= 1 . dPTaxa : rp= μ. PX dtVELOCIDADES ESPECÍFICAS DE TRANSFORMAÇÃOVelocidade Específica de Crescimento Microbiano :μx= 1 . dX Taxa : rx= μ. XX dtVelocidade Específica de Consumo de Substrato :μs= 1 . -dSTaxa : rs= μ. SX dtVelocidade Específica de Formação de Produto :μp= 1 . dPTaxa : rp= μ. PX dt

μx= μm. SKs+ S

Além da equação de MONOD, existem outras equações e que merecem ser citadas :Equação de Teissierμx= μm. ( 1 –exp(-S/Ks)Equação de Moser μx= μm. SⁿKs+ SⁿEquação de Contoisμx= μm. SKs. X + S

μmμm/2μSKsKI,s(Ks. KI,s)⁰’⁵Sem InibiçãoCom Inibição

μx= μm. S . KI,sKs+ S KI,s+ S

rx= μx. X rx= μm. S . KI. X X = (KS+ S) . (KI+ S)(Ks+ S) (KI+ S) rXμm. S . KI1 S² + (KS+KI) S + KS= S . XµmKI µm. KIµm rXb= (KS+ KI)μm. KIa= 1μm KIc= KSμmS.XrXSEncontrando a curva ajustada por regressão linear, podemos encontrar μm, KSe KIrx= μx. X rx= μm. S . KI. X X = (KS+ S) . (KI+ S)(Ks+ S) (KI+ S) rXμm. S . KI1 S² + (KS+KI) S + KS= S . XµmKI µm. KIµm rXb= (KS+ KI)μm. KIa= 1μm KIc= KSμmS.XrXSEncontrando a curva ajustada por regressão linear, podemos encontrar μm, KSe KIrx= μx. X rx= μm. S . KI. X X = (KS+ S) . (KI+ S)(Ks+ S) (KI+ S) rXμm. S . KI1 S² + (KS+KI) S + KS= S . XµmKI µm. KIµm rXb= (KS+ KI)μm. KIa= 1μm KIc= KSμmS.XrXSEncontrando a curva ajustada por regressão linear, podemos encontrar μm, KSe KIrx= μx. X rx= μm. S . KI. X X = (KS+ S) . (KI+ S)(Ks+ S) (KI+ S) rXμm. S . KI1 S² + (KS+KI) S + KS= S . XµmKI µm. KIµm rXb= (KS+ KI)μm. KIa= 1μm KIc= KSμmS.XrXSEncontrando a curva ajustada por regressão linear, podemos encontrar μm, KSe KIrx= μx. X rx= μm. S . KI. X X = (KS+ S) . (KI+ S)(Ks+ S) (KI+ S) rXμm. S . KI1 S² + (KS+KI) S + KS= S . XµmKI µm. KIµm rXb= (KS+ KI)μm. KIa= 1μm KIc= KSμmS.XrXSEncontrando a curva ajustada por regressão linear, podemos encontrar μm, KSe KIrx= μx. X rx= μm. S . KI. X X = (KS+ S) . (KI+ S)(Ks+ S) (KI+ S) rXμm. S . KI1 S² + (KS+KI) S + KS= S . XµmKI µm. KIµm rXb= (KS+ KI)μm. KIa= 1μm KIc= KSμmS.XrXSEncontrando a curva ajustada por regressão linear, podemos encontrar μm, KSe KIrx= μx. X rx= μm. S . KI. X X = (KS+ S) . (KI+ S)(Ks+ S) (KI+ S) rXμm. S . KI1 S² + (KS+KI) S + KS= S . XµmKI µm. KIµm rXb= (KS+ KI)μm. KIa= 1μm KIc= KSμmS.XrXSEncontrando a curva ajustada por regressão linear, podemos encontrar μm, KSe KI

rSSDados ReaisPolinômio 2º. Grauajustado aos dadosrS= a S² + b S + cR² : Coef. de CorrelaçãoINTERVALO DE VALIDADE DA EQUAÇÃO

∫ rjdV = dnjdtFjo-Fj+ ∫ rjdV = dnjdt0 0

00,0050,010,0150,020,0250,030100200300400500600700Velocidades Específica Biomassa, µxConc. Substrato (S) , g/lResultados dos ajustes de dados aos modelosµxversusSDados ReaisAjustepor Regressão Polinomial (2o.grau)

tSrsP

hg/lg/l.hg/l

0110,480

1105,1205,360

298,8306,290

391,4107,420

483,1508,260

573,2959,855

661,70011,595

748,86512,835

836,81012,055

927,4259,385

1021,5005,925

1119,0252,475

1218,3500,675

1318,1500,200

1418,0750,075

1518,0250,050

rs = 0,00009588 . S3-0,02289305 . S2+ 1,60877516 . S -21,80653699R² = 0,99Válido no intervalo de 18 a 110 g/l de concentração de substrato0,00002,00004,00006,00008,000010,000012,000014,000016,000018,000020,0000020406080100120Velocidade de bioreação -1/l.hConcentração Substrato -g/lTaxa Bioreação Substrato (rS) x Concentração Substrato (S)

S= So(1-XA)t = So∫dXS(-rS)0XSEsteéotemponecessárioparaatingirumaconversãofinalXS,conhecendo-seataxadereaçãorS.

t=110,48ʃdXs[0,00009588.(110,48³).(1-Xs)³-0,002289.(110,48²).(1-Xs)²+1,6088.(110,48).(1-Xs)–21,8065]0Xs

Geralmente cilíndricos. São construídos em dimensões padrão publicadas pela “InternationalStandards Organizatione BritishStandards Institution”. As principais dimensões são :Esquema de tanque agitado por turbinas de pás planas, com indicação de dimensões importantes na transmissão de potência ao líquido :-Máxima Potência com mais de um impelidor: Di < Hi< 2 Di-Número de Impelidorespara máx. transferência de potência :Reatores do tipo STR (cilíndrico) : Relação H/D 2/1 ou 3/1HL-Di > No.Impelidores> HL–2DiDiDiHi

Geralmente cilíndricos. São construídos em dimensões padrão publicadas pela “InternationalStandards Organizatione BritishStandards Institution”. As principais dimensões são :Esquema de tanque agitado por turbinas de pás planas, com indicação de dimensões importantes na transmissão de potência ao líquido :-Máxima Potência com mais de um impelidor: Di < Hi< 2 Di-Número de Impelidorespara máx. transferência de potência :Reatores do tipo STR (cilíndrico) : Relação H/D 2/1 ou 3/1HL-Di > No.Impelidores> HL–2DiDiDiHiMotor110 HPredutor100 HP100 rpmGeralmente cilíndricos. São construídos em dimensões padrão publicadas pela “InternationalStandards Organizatione BritishStandards Institution”. As principais dimensões são :Esquema de tanque agitado por turbinas de pás planas, com indicação de dimensões importantes na transmissão de potência ao líquido :-Máxima Potência com mais de um impelidor: Di < Hi< 2 Di-Número de Impelidorespara máx. transferência de potência :Reatores do tipo STR (cilíndrico) : Relação H/D 2/1 ou 3/1HL-Di > No.Impelidores> HL–2DiDiDiHi10 m8m4 m1,35 m1,50 m0,135 m1,35 m0,30 m0,35 m