Modelagem, simulação e analise de reatores continuos para a hidrolise enzimatica de bagaço de cana / Modeling, simulation and analyse of continuous reactors for enzymatic hydrolysis of sugar cane bagasse

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2009

RESUMO

Por mais de um século, a principal fonte de combustível e produtos químicos para a sociedade humana tem vindo a partir de recursos fósseis, os quais são limitados e estão concentrados em poucas regiões do mundo. Biomassa, como a única fonte de carbono renovável, mostra-se promissora para a produção de combustíveis e produtos químicos em grande escala. Na última década, a produção de bioetanol a partir de biomassa lignocelulósica através de hidrólise enzimática tem sido estudada intensamente a nível de bancada. Reatores contínuos, nos quais a fração celulósica e a hemicelulósica de substratos lignocelulósicos são convertidos em açúcares redutores (para serem fermentados a bioetanol), são o tema desta dissertação. As principais questões consideradas aqui são: a cinética, o padrão de contato sólido-líquido, o comportamento fluidodinâmico da lama durante a hidrólise, configurações alternativas de reatores contínuos, e estratégias de operação contínua com relação ao substrato e a enzima. Foram revisados os modelos cinéticos mais recentes para a hidrólise enzimática de substratos lignocelulósicos, dando especial atenção aos modelos úteis para projeto de reatores. Foi proposto um esquema de classificação de modelos cinéticos baseado no número de reações consideradas. Com respeito à utilidade de um modelo cinético na otimização do sistema de reação, é desejável que este inclua a adsorção das enzimas na fração celulósica do substrato e na lignina, a inibição das enzimas por produto final, a reatividade do substrato e a desativação das enzimas. Neste trabalho, um modelo de uma reação foi ajustado a perfis experimentais de glicose e xilose obtidos na hidrólise enzimática de bagaço de cana prétratado com peróxido de hidrogênio alcalino. O modelo cinético apresentado difere de outros modelos em que este inclui a predição do perfil de xilose por meio de uma relação algébrica que faz uso do perfil de glicose, e é especialmente útil na ausência de dados experimentais de adsorção e reatividade do substrato. O comportamento fluidodinâmico da lama de biomassa durante a hidrólise enzimática é complexo devido à ampla distribuição de tamanhos de partícula, às formas incomuns das partículas de biomassa e às mudanças na reología que experimenta o material ao longo da reação. Neste trabalho é apresentado um levantamento detalhado da fluidodinâmica de suspensões de polpas fibrosas e lamas com tendência à sedimentação, devido a que o comportamento fluidodinâmico de lamas de biomassa pode ser entendido a partir dessas duas situações limite. Além disso, foi desenvolvido um modelo fluidodinâmico com balanços microscópicos e solucionado com um software de fluidodinâmica computacional para estudar o escoamento de lamas de biomassa em reatores tubulares com e sem defletores angulares internos. Por outro lado, a micromixtura do material dentro dos reatores foi considerada em duas situações limite: um material que é fracionado em cúmulos discretos que reagem como reatores batch durante o tempo que estejam no sistema de reação, e um material que imediatamente ingressa no sistema de reação entra em contato íntimo com outros elementos de fluido ao nível molecular. As conversões em reatores continuous para as anteriores situações limite de micromistura foram obtidas. Os reatores contínuos considerados foram reatores de tanque agitado em serie, reatores tubulares e combinação entre eles. Devido a que a biomassa adsorve água, no começo da reação de hidrólise a fase móvel pode desaparecer a concentrações de substrato maiores de 10% w/w, aproximadamente. A alimentação distribuída de substrato numa serie de reatores de tanque agitado foi uma alternativa proposta neste trabalho para incrementar a produtividade volumétrica dos reatores. Consequentemente, uma série de reatores de tanque agitado com alimentação distribuída, seguida de um reator tubular, foi a melhor alternativa para incrementar a reatividade volumétrica dos reatores e diminuir o volume de reação. O presente trabalho é em grande parte exploratório sendo que não há procedimentos detalhados de projeto e escalonamento de reatores de hidrólise enzimática de biomassa lignocelulósica na literatura científica atual. Consequentemente, reatores contínuos alternativos assim como procedimentos de modelagem mais detalhados são brevemente discutidos ao final do trabalho. De vital importância são experimentos para elucidar aspectos tais como a reutilização de enzimas por recirculação ou re-adsorção em substrato fresco, adsorção de enzimas a altas concentrações iniciais de substrato (>10% w/w), e a relação entre as propriedades reológicas da lama e a extensão da reação de hidrólise

ASSUNTO(S)

hidrolise fluidodinamica bagaço de cana reatores quimicos - modelos matematicos hydrolysis fluid dynamics sugarcane bagasse chemical reactors

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