Otimização de fermentadores aplicados na produção de etanol: análise tempo de residência utilizando fluidodinâmica computacional
DOI:
https://doi.org/10.5433/1679-0375.2020v41n1p51Palavras-chave:
Distribuição de tempo de residência. Fluidodinâmica computacional. Fermentadores. Produção de etanol.Resumo
A procura por novas formas de garantir combustível para a sociedade é um grande desafio para cientistas. Uma alternativa interessante ao combustível derivado do petróleo é o etanol produzido a partir da cana-de-açúcar. Apesar do Brasil estar em condições de vantagem na produção de etanol, os equipamentos utilizados na usinas sucroalcooleiras, como os fermentadores por exemplo, ainda necessitam de melhorias em sua eficiência. A geometria do tanque do fermentador tem uma grande influência nos parâmetros do escoamento interno, e consequentemente, afetam fortemente as reações químicas envolvidas no processo. Para melhor eficiência do equipamento, é preciso garantir que o mosto permaneça o tempo adequado dentro do tanque para que as reações químicas sejam completadas. Caso permaneça um tempo maior que o exigido, as reações químicas são prejudicadas. Neste estudo, a influência da geometria do tanque do fermentador na distribuição de tempo de residência (DTR) foi avaliada através da simulação computacional da injeção de um traçador no escoamento. Além disso, vinte geometrias foram simuladas através de um processo de otimização univariada. Resultados mostram que o ângulo entre a tubulação de entrada do tanque é o parâmetro geométrico com maior influência no escoamento. A geometria que garante o ângulo de escoamento ideal deve ter 22,5o de ângulo de entrada, combinada com uma altura de 120 cm para a tubulação de saída. Considerando que os fermentadores são utilizados em processamento de alta escala, as melhorias propostas na geometria do fermentador podem aumentar sua eficiência e reduzir impacto ambiental.
Referências
BOSCO, F., Busca pela vanguarda, Alcoolbras, Edição no 102, <https://www.revistaalcoolbras.com.br"> Accessed: December, 2019
CHOI, B. S., et al. Residence Time Distributions in a Stirred Tank: Comparison of CFD Predictions with Experiment. Industrial & Engineering Chemistry Research 43(20): 6548-6556, 2004. DOI: https://doi.org/10.1021/ie0308240.
CORTES, S. L., et al., Optimization of fermentation conditions in the production of ethanol from Palmer mango. Semina: Ciências Exatas e Tecnológicas, Londrina, v. 39, n. 1, p. 34-41, 2018. DOI: https://doi.org/10.5433/1679-0375.2018v39n1p34
DAVIDSON, K. M., et al., Using Computational Fluid Dynamics Software to Estimate Circulation Time Distributions in Bioreactors. Biotechnology Progress. 19: 1480-1486, 2003. DOI: https://doi.org/10.1021/bp025580d
DIAS, M., et al., Simulation of integrated first and second generation ethanol production from sugarcane: comparison between different biomass pretreatment methods. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology 38(8): 955-966, 2011. DOI: https://doi.org/10.1007/s10295-010-0867-6
DING, J., et al., CFD optimization of continuous stirred-tank (CSTR) reactor for biohydrogen production. Bioresource Technology 101(18): 7005-7013, 2010. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.03.146
FOGLER, H. S. Elementos de Engenharia das Reações Químicas, 4a. Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009.
GAVRILESCU, M.; TUDOSE, R. Z. Residence time distribution of the liquid phase in a concentric-tube airlift reactor. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 38(3): 225-238, 1999. DOI: https://doi.org/10.1016/S0255-2701(99)00005-7
GONÇALVES, T. A. C., et al., Estudo da distribuição do tempo de residência em um reator contínuo de tanque agitado. Brazilian Journal of Development 5(10): 17779-17784, 2019. DOI: https://doi.org/10.34117/bjdv5n10-046
HARINGA, C., et al., Euler-Lagrange computational fluid dynamics for (bio)reactor scale
down: An analysis of organism lifelines. Engineering in life Sciences. 16, 652–663, 2016.
DOI: https://doi.org/10.1002/elsc.201600061
LE MOULLEC, Y., et al., Flow field and residence time distribution simulation of a cross-flow gas–liquid wastewater treatment reactor using CFD. Chemical Engineering Science 63(9): 2436-2449, 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2008.01.029
NOGUEIRA, L. A. H. Bioetanol de Cana-de-açúcar. Energia para o desenvolvimento sustentável. Rio de Janeiro: BNDES e CGCE, 2008. 316p.
PATWARDHAN, A. W., et al., Optimization of gas-liquid reactor using computational fluid dynamics. Chemical Engineering Science 60(11): 3081-
3089, 2005. DOI: https://dx.doi.org/10.1590/0104-6632.20190364s20180450
ROMEIRO, N. M. L., et al., Numerical simulation of BOD5 dynamics in Igapó I lake, Londrina, Paraná, Brazil: Experimental measurement and mathematical modeling. Semina: Ciências Exatas e Tecnológicas, Londrina, v. 38, n. 2, p. 50-58, 2017. DOI: http://doi.org/10.5433/1679-0375.2017v38n2p50
SARRIS, I., et al., A three-dimensional CFD model of direct ethanol fuel cells: Anode flow bed analysis. Solid State Ionics 177(19–25): 2133-2138, 2006. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ssi.2006.02.019
SASSAKI, R. A. Distribuição de Tempos de Residência em Sistemas Alimentados com Vazão Variável. 100 pp. (Mestrado). Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2005.
XIA, J.Y., WANG, S.J., ZHANG, S. L., ZHONG, J. J., Computational investigation of fluid dynamics in a recently developed centrifugal impeller bioreactor. Biochemical Engineering Journal 38(3): 406-413, 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bej.2007.08.006
ZHANG, L., PAN, Q., REMPEL, G. Residence Time Distribution in a Multistage Agitated Contactor with Newtonian Fluids: CFD Prediction and Experimental Validation. Industrial & Engineering Chemistry Research 46(11): 3538-3546, 2007. DOI: https://doi.org/10.1021/ie060567+
Downloads
Publicado
Como Citar
Edição
Seção
Licença
Os Direitos Autorais para artigos publicados nesta revista são de direito do autor. Em virtude de aparecerem nesta revista de acesso público, os artigos são de uso gratuito, com atribuições próprias, em aplicações educacionais e não-comerciais. A revista se reserva o direito de efetuar, nos originais, alterações de ordem normativa, ortográfica e gramatical, com vistas a manter o padrão culto da língua e a credibilidade do veículo. Respeitará, no entanto, o estilo de escrever dos autores. Alterações, correções ou sugestões de ordem conceitual serão encaminhadas aos autores, quando necessário. Nesses casos, os artigos, depois de adequados, deverão ser submetidos a nova apreciação. As opiniões emitidas pelos autores dos artigos são de sua exclusiva responsabilidade.
Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial 4.0 Internacional.
