Análise do desempenho de membranas de pervaporação no processo convencional de fermentação para produção de etanol

Autor: Marulanda, Juan Alvaro Léon
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2015
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFABCUniversidade Federal do ABCUFABC.
Druh dokumentu: masterThesis
Popis: Orientador: Prof. Dr. Reynaldo Palácios Bereche
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2015.
No presente trabalho foi desenvolvida uma análise de desempenho da inserção da tecnologia de membranas, visando a potencialização da produção de etanol, e o impacto desta sobre a destilação convencional para a separação do etanol até o grau de etanol hidratado combustível (EHC). A pervaporação com membranas de PDMS (polidimetilsiloxano) foi adotada como alternativa tecnológica para a intensificação da fermentação alcoólica, a partir de sacarose em forma de melaço de cana. Três arranjos de operação de fermentação foram selecionados e avaliados como alternativa à intensificação da operação, a fermentação em batelada com fermentadores SBF (Simple Batch Fermenter) representa o regime transitório, para o regime estacionário foi selecionado um fermentador contínuo, CSTF (Continuous Stirred Tank Fermenter). Na operação semicontínua, o fermentador em batelada alimentada foi selecionado, FBF (Fed-Batch Fermeter). Os três tipos de operação de fermentação (em batelada, contínua e semicontínua) avaliaram-se em função do rendimento, produtividade e tempo de operação. O critério do tempo de operação discriminou-se em tempos totais de fermentação para os fermentadores SBF e FBF, em quanto ao fermentador CSTF o tempo de retenção hidráulica foi usado. Tanto os modelos da cinética da fermentação, como os parâmetros cinéticos foram tomados da literatura e adaptados ao tipo de regime avaliado. Para a explicação da pervaporação foi usada a teoria de solução-difusão, pois segundo a literatura, é a teoria mais apropriada e simples que descreve a transferência de massa através da membrana em uma pervaporação. Os modelos de transferência de massa de Fick e Maxwell-Stefan (MS), foram aplicados para determinar a taxa de transferência de massa na pervaporação, baseada nas características das membranas de PDMS. As permeabilidades do modelo de transferência de massa de Fick foram determinadas. Os parâmetros de sorção e difusão do modelo de MS foram tomados da literatura. Para a membrana de PDMS avaliada, determinou-se um fator de separação de 3,5 para o etanol e 0,14 para água sob as condições normais de fermentação, indicando um fluxo de permeato com um conteúdo de água relativamente baixo (referente à solução fermentativa) e uma concentração de 33 wt.% de etanol no permeato. Fez-se o acoplamento da modelagem dos fermentadores SBF, CSTF e FBF com o modelo de MS da membrana de pervaporação. O modelo de MS apresentou maior exatidão que o modelo de Fick na transferência de massa através da membrana. Também propôs-se os esquemas da operação híbrida para os fermentadores H-SBMF (Hybrid -Simple Batch Membrane Fermenter), H-CSTMF (Hybrid- Continuous Stirred Tank Membrane Fermenter) e H-FBMF (Hybrid-Fed Batch Membrane Fermenter). Para a fermentação híbrida com membranas, além do rendimento, produtividade e tempo de operação foi avaliada a intensificação de etanol. Para o H-SBMF, a produção de etanol aumentou 14,43% em comparação à fermentação convencional, sob as mesmas condições operacionais (Intensificação de etanol) e a produtividade teve um incremento de 2,5 vezes. O H-CSTMF apresentou um incremento máximo de etanol produzido de 30,32%, e a produtividade foi incrementada em uma faixa de 1,1 a 1,7 vezes baseado no tempo de retenção (residencia hidráulica). No H-FBMF atingiu-se até 16,13 % de etanol intensificado e um incremento de 1,6 vezes na produtividade. Os rendimentos de todas as fermentações mantiveram relativamente constantes. Os consumos energéticos (energia térmica e mecânica) foram avaliados com base nos requerimentos energéticos da pervaporação, e consumo energético na etapa de destilação para obter álcool hidratado. Conseguiu-se advertir que houve um declínio do consumo de energia térmica (calor) do processo geral (máximo de 11%), em virtude de um significante aumento da quantidade de etanol produzido na fermentação híbrida. Determinou-se que o consumo de energia na recuperação do permeato, depende explicitamente da área da membrana, o qual foi média de 0,77 kW/m2.
In this study, an analysis of performance of the membrane technology insertion to conventional ethanol production technology has been developed. Membranes separation were considered to enhance the fermentation and distillation areas of conventional process of alcohol-fuel production. Aimed an intensification of alcoholic fermentation by pervaporation with PDMS (Polydimethylsiloxane) membranes, as a back-up technology to accomplish this assignment. Three fermentation operation arrangements were picked and assessed as intensification alternative operation, SBF (Simple Batch Fermenter) for transient regime, CSTF (Continuous Stirred Tank Fermenter) for steady-state fermentation and FBF (Feed Batch Fermenter) for semicontinuous operation. These three types of operation (batch, steady-state and semicontinuous) were evaluated as function of product-yield, productivity and operation time criteria. In batch and fed-batch operation, operation time was specified by total fermentation time, for steady-state operation the operation time criteria was residence time. Fermentation kinetic models and kinetic parameters were obtained from literature and embedded to assessed operation regimes. Pervaporation phenomena was explained by the solution-diffusion theory, since according to literature it is most appropriate and simple theory to describe the mass transfer across pervaporation membranes. Fick and Maxwell-Stefan mass transport model were used to determine the pervaporation mass transfer rate, based in PDMS membranes characteristic. Permeability from Fick model was calculated and sortion and diffusivity parameters from Maxwell-Stefan were obtained from literature. For evaluated PDMS membrane, ethanol and water separation factor of 3.5 and 0.15 were achieved, respectively for a range of normal fermentation concentrations, suggesting a permeate flux with lower water containing than fermentative solution and an ethanol concentration about to 35 %. SBF, FBF and CSTF modeling, Fick and Maxwell-Stefan membrane pervaporation models were adapted and applied together. In addition, a schematic hybrid arrangement for fermenters, H-SBMF (Hybrid -Simple Batch Membrane Fermenter), H-FBMF (Hybrid-Fed Batch Membrane Fermenter) and H-CSTMF (Hybrid-Continuous Stirred Tank Membrane Fermenter) was proposed. Further product-yield, productivity and operation time criteria, performance of membrane pervaporation was evaluated in hybrid-fermentation process. For H-SBMF, product-yield referred to conventional fermentation, under the same operative conditions (ethanol profit) increased 14.43% and 2.5 times higher productivity was achieved. H-CSTMF presented 30.32% higher ethanol profit; instead, the productivity had an increased in range of 1.1-1.7 times. For H-FBMF achieved 16.13% and 1.6 times higher ethanol profit and productivity, respectively. Fermentation energy consumption was estimated based in the energetic needs in pervaporation and energy demand in distillation area, for hydrated ethanol. A decrease of global energy consumption was attended (up to 11%), consequent to a quietly higher ethanol-feed concentration, generated in a simultaneous fermentationpervaporation process. The pervaporation was integrated to high-temperature compressed permete stream, reaching a higher energy-efficient process than a non-integrated pervaporation process. Electrical consumption for permeate recovery was determined and it is only in funtion of membrane area, achieving 0.77 kW/m2.
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