Development of a virtual preliminary platform of liquid-liquid extractive fermentation for production of ethanol

Orientador: Maria Regina Wolf MacielDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: A extração líquido-líquido (ELL) com uso de solventes biocompatíveis apresenta-se como uma tecnologia em potencial no processo de extração do etanol no próprio fermentador, cujas vantagens são: possibilidade de se trabalhar a baixas temperaturas, o solvente não inibir a levedura, além de a ELL ser indicada para soluções diluídas, que é o caso do mosto fermentado. Apesar de na literatura existirem trabalhos experimentais da ELL in situ do etanol, não se encontrou um estudo de simulação do processo de fermentação extrativa líquido-líquido que avaliasse as principais variáveis do processo como tipo de solvente, temperatura e razão solvente/alimentação (S/A). Tendo em vista essa lacuna, nesse trabalho desenvolveu-se e otimizou-se uma plataforma virtual no simulador ASPEN PLUS® do processo de fermentação extrativa líquido-líquido de etanol. Para isso, os modelos NRTL e UNIQUAC foram validados comparando-se os diagramas ternários com os dados experimentais encontrados na literatura para os solventes: dodecanol, ácido oléico, octanol e pentanol. A temperatura não interferiu significativamente na extração na faixa estudada (25ºC - 35 ºC). Na simulação, a porcentagem de etanol recuperado do mosto atingiu 100% para as seguintes razões solvente/alimentação: octanol (S/A = 6,0), dodecanol (S/A = 8,0) e ácido oleico (S/A 12,0), porém o octanol apresentou baixa seletividade, consequentemente, o solvente dodecanol foi selecionado para otimização do processo. Após a otimização do processo, aproximadamente 90% do etanol produzido na fermentação foi extraído pelo dodecanol para uma razão S/A igual a 3 devido principalmente a adição do absorvedor para recuperação do etanol arrastado pelo CO2, aos reciclos e ajustes na vazão de fundo da coluna de destilação. No entanto, a fermentação extrativa líquido-líquido apresentou consumo de energia 18% maior quando comparado ao processo convencional de produção do etanol hidratado e obteve-se uma corrente final com 53% de etanol na corrente de destilado. Os resultados comprovaram a viabilidade da fermentação extrativa líquido-líquido do etanol comparada aos processos alternativos de extração in situ do etanol presentes na literatura e atestaram a contribuição do desenvolvimento da plataforma virtual para análise desse processoAbstract: The liquid-liquid extraction (LLE) using biocompatible solvents presents itself as a potential technology for ethanol extraction in the fermenter, given that it does not work at high temperatures, the solvent does not inhibit yeast and LLE is applied to diluted solutions. There are many experimental studies of in situ LLE in the literature, therefore, there is not a study of simulation of liquid liquid extractive fermentation to evaluate the main variables of the process as type of solvent, temperature and ratio solvent / feed (S / F). In view of this gap, this study developed and optimized a virtual platform on ASPEN PLUS software of the process of liquid liquid extractive fermentation of ethanol. For this, the NRTL and UNIQUAC models were validated by comparing the ternary diagrams to experimental data reported in the literature for the solvents: dodecanol, oleic acid, octanol and pentanol. The temperature did not influence significantly in the extraction of ethanol for the range of 25 °C and 35 °C. In the simulation, the percentage of recovered ethanol from the broth reached 100% for the following ratios S/F: octanol (6.0), dodecanol (8.0) and oleic acid (12.0). Therefore, the octanol showed low selectivity so the dodecanol was selected as the solvent to optimize the process. After optimization, approximately 90% of the ethanol produced in the fermentation was extracted by dodecanol with a ratio S / F equal to 3 mainly due to the addition of the absorber to recover ethanol entrained by the CO2, the recycling and adjustments in the bottom flow of the distillation column. However, the liquid-liquid extractive fermentation showed 18% consumption of more energy compared to the conventional process of production of hydrated ethanol and yielded a final stream of 53% ethanol in the distillated stream. The results proved the feasibility of liquid-liquid extraction of ethanol fermentation compared to alternative in situ extractions of ethanol in the literature and confirmed the contribution of the virtual platform development for analysis of this processMestradoEngenharia QuímicaMestre em Engenharia Química130642/2013-4CNP