Modeling and simulation of continuous extractive alcohol fermentation. Verification of the influence of inhibited by-products

Autor: SANTOS, Sharline Florentino de Melo.
Přispěvatelé: SILVA, Flávio Luiz Honorato da., MACEDO, Gorete Ribeiro de., FARIAS NETO, Severino Rodrigues de.
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2001
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFCG
Universidade Federal de Campina Grande (UFCG)
instacron:UFCG
Popis: Submitted by Deyse Queiroz (deysequeirozz@hotmail.com) on 2019-10-11T13:01:06Z No. of bitstreams: 1 SHARLINE FLORENTINO DE MELO SANTOS - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2001.pdf: 18090394 bytes, checksum: 8a1a98188173a1e8a9bc6c6cd21457ee (MD5) Made available in DSpace on 2019-10-11T13:01:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SHARLINE FLORENTINO DE MELO SANTOS - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2001.pdf: 18090394 bytes, checksum: 8a1a98188173a1e8a9bc6c6cd21457ee (MD5) Previous issue date: 2001-02-21 A fermentação alcoólica tem sido bastante investigada por pesquisadores de todo o mundo, em vista do etanol constitui-se uma das mais promissoras alternativas de combustível obtido a partir de fontes renováveis. A demanda crescente de etanol nas décadas de 70 e 80, levou os pesquisadores e as empresas ligadas ao setor a buscar processos de alta produtividade. Com a consolidação do processo de fermentação no final da década de 80, novos processos surgiram desenvolvidos de forma a remover o etanol do caldo fermentado para eliminar os efeitos da inibição pelo etanol, buscando o aumento do rendimento e produtividade do processo. O sistema de separação flash a vácuo acoplado ao fermentador, apresenta como vantagens menor custo de produção, facilidade pratica na operação de todo o processo, sendo o sistema que melhor se ajusta, na atualidade, as industrias brasileiras, elimina a necessidade de trocador de calor, reduzindo custos fixos e de manutenção do processo, capacidade de usar altas concentrações de açúcares no meio de alimentação do reator, o que tem como consequência maior produção de etanol, reduzindo os custos com destilação. Estes processos podem aumentar a concentração de produtos secundários a ponto deles ficarem tóxicos as leveduras, inibindo-as. O processo de fermentação a vácuo concentra produtos não voláteis no caldo fermentado. Foi objetivo deste trabalho estudar a influencia dos álcoois superiores (n-propanol, iso-butanol, nbutanol e isoamilico) na inibição do processo fermentativo, buscando formas de minimizar esta inibição, controlando a concentração de etanol e subprodutos no reator abaixo de seus poderes inibitórios, de modo a aumentar o rendimento e produtividade do sistema de fermentação alcoólica extrativa usando um tanque flash a vácuo como unidade de separação do etanol produzido. Utilizou-se a modelagem da planta a partir das equações dos balancos de massa e energia e do modelo cinético, empregando o método de Runge-Kutta de quarta ordem para resoluções; e simulação em computador. Através do método baseado em planejamento experimental e analise de superfície de resposta, buscou-se encontrar condições ótimas de operação de processo. As variáveis estudadas na otimização do processo foram: concentração de ART no meio de alimentação (S0), concentração inicial de células (Xo), tempo de residencia (tr), temperatura do reator (T), temperatura da água de tratamento (Tw), taxa de reciclo de células (R) e taxa de reciclo de liquido do tanque flash (r). Por intermédio do planejamento experimental foi verificado que os modelos quadráticos obtidos para o rendimento e a produtividade foram estatisticamente significativos com 99% de confiança. Os valores que otimizam o rendimento e a produtividade foram: S0 = 180 g/1, R = 0,3, tr = 1,4 h, e r = 0,4, obtendo-se rendimento de 82,55% e produtividade de 21,49 g/l.h. Estes valores das variáveis respostas, comparados com o trabalho de SILVA (1998), foram menores em 1% para o rendimento e 0,1 g/l.h para produtividade. Operando nas condições de temperatura da realidade da região Nordeste, comparando com a região Sudeste, verificou-se uma queda de 5% no rendimento e 2 g/l.h na produtividade, onde essa comparação foi feita usando todas as faixas das variáveis deste trabalho. In view of the ethanol being one of the most promising fuel alternatives obtained by renewable sources, the alcoholic fermentation has been intensively investigated by researchers all over the world. The increasing search for ethanol in the 70s and 80s, led the researchers and the companies linked to such sector to find high productivity processes. With the consolidation of fermentation process at the end of 80's decade, new processes were developed which can remove ethanol from fermented stock to eliminate ethanol inhibition effect and hence increasing the yield and productivity of the process. The vacuum flash separation connected to a fermenter, show many advantages such as: less productivity costs, practical facility concerning the whole process operation being that of the system which best connects to the Brazilian industries. It also eliminates the heat exchanging need that reduces the fixed costs and the possibility of using high sugar concentration in the reactor thus reducing the distillation costs. Such processes can increase the by-products concentration so that they can become toxic to the yeast. The vacuum fermentation process concentrates non-volatile components in the fermented stock. The aim of the present work was to study the influence of higher alcohols (1-propanol nbutanol, iso-butanol and iso-amyl alcohol) on the inhibition of process, finding the ways to minimize this inhibition, controlling the concentration of ethanol and by-products in reactor below their inhibiting levels, so that to increase the yield and productivity of the extractive alcoholic fermentation system, using vacuum flash tank as a separation unit of produced ethanol. The plant was modeled on the basic of mass and energy balance equations and kinetic model applying the fourth order resolution method of Runge-Kutta and computer simulation. The optimization was carried out using factorial design and response surface analysis method. The variables of optimization process studied were: initial sugar concentration (So), initial cell concentration (Xo), residence time (tr), reactor temperature (To), water temperature (Tw), cell recycle rate (R) and flash tank liquid recycle rate (r). With the help of experimental planning, it was verified that the obtained quadratic mode! for yield and productivity had a statistical significance of 99% confidence. The values that optimize the yield and the productivity were: So = 180 g/1, R = 0.3, tr = 1.4 h and r = 0.4, having yield of 82.55% and productivity of 21.49 g/!.h. These response variable values when compared with the SILVA (1998), were less by 1% for yield and 0.1 g/l.h for productivity. Operating in temperatures conditions of northeast regions and comparing with those of southeast regions, it was verified that lass 5% in yield and 2 g/l.h in productivity, where all the comparison made were within the range of variables studied in the present work.
Databáze: OpenAIRE
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