Modelagem e simulação de uma destilaria autônoma de produção de etanol de primeira geração (E1G)

Most of the operations in an autonomous distillery for production of ethanol are carried on in a continuous fashion. The fermentation stage, however, may be projected to work either continously or semicontinuously. The steady-sate continuous operation (after the start-up) may be easily coupled to other unit operations of the process. On the other hand, in the semicountinuous operation, each fermentation vat operates in unsteady state, thus it is necessary to design a set of vats that enables the coupling between the fermentation and the process, which may be challenging. This study intended to implement mathematical models in EMSO process simulator of both industrial configurations of the fermentation process: a system of six parallel fed-batch bioreactors and a system of four continuous steady-state bioreactors in series. The process was modeled at macroscopic level based on the material balances for cells, substrate and product. Kinectic models accounting for product and substrate inhibition were used. Both configurations were added to a previously built model of a complete autonomous distillery in which the fermentation stage was represented by a stoichiometric conversion model. In the fed-batch process, due to the solution of mass and energy balances in the fermenters, it was possible to observe the temporal evolution of variables such as the concentrations of yeast, sugar and ethanol in their interiors, the volume of solution in each fermenter and the rate of heat removal needed in order to keep the fermenters temperatures constant. The simulated autonomous distillery processes 500 t/h of cane with varying levels of sucrose. For a content of 13% sucrose, 338.0 t/h of centrifugated wine were obtained in the continuous operation, containing 8.3% by weight of ethanol, which resulted in the production of 30.1 t/h of hydrate ethanol containing 93.5% ethyl alcohol in weight. In fed-batch operation, 417.5 t/h of centrifugated wine (6.3% ethanol by weight), which resulted in 27.9 t/h of hydrous ethanol (93.5% by mass). In both configurations, simulations were performed to evaluate the influence of the sucrose content in the process input (11 to 15% by weight of sucrose) over the process response. The results of these simulations were compared to those obtained for the model of stoichiometric conversion under the same conditions. Regarding the three evaluated configurations for the fermentation stage, it was observed that the model of stoichiometric conversion can be properly employed in the simulations, being mostly suitable for optimization studies of the autonomous distillery with semicontinuous operation due to its fast convergence. However, it is worth mentioning that the inhibitory effects are not reproduced in the fermentation step for this model, thus preliminary studies should be performed using the mathematical model implemented in continuous or discontinuous configuration.Financiadora de Estudos e ProjetosNa produção de etanol a maioria das operações realizadas em uma destilaria autônoma e conduzida de forma continua. A etapa de fermentação, contudo, pode ser projetada para operar de forma continua ou semi-contínua. A operação continua em estado estacionário (após a partida do processo) pode ser facilmente acoplada as outras operações unitarias do processo. Por outro lado, na operação semi-contínua, cada dorna de fermentação opera em estado não estacionário, havendo a necessidade de se projetar um conjunto de dornas para que a etapa de fermentação seja acoplada ao processo, o que pode ser complicado. Este trabalho teve como objetivo implementar no simulador de processos EMSO modelos matemáticos das duas configurações industriais da etapa de fermentação: um sistema de fermentação composto por seis biorreatores em que cada dorna opera no modo batelada alimentada e um sistema composto por quatro biorreatores em serie operados em regime permanente. O processo foi modelado em nível macroscópico com base nas equações de balanço material para células, substrato e produto. Modelos cinéticos que levam em consideração inibição pelo substrato e pelo produto foram utilizados. As duas configurações foram adicionadas a um modelo de destilaria autônoma desenvolvido previamente no simulador EMSO, no qual a etapa de fermentação era representada por modelo baseado na conversão estequiométrica. No processo descontinuo, a solução dos balanços de massa e energia nos fermentadores tornaram possível observar a evolução temporal dos valores de variáveis como as concentrações de levedura, açúcar e etanol em seus interiores, o volume de solução nos fermentadores e a taxa de remoção de calor necessária para manter suas temperaturas constantes. A destilaria autônoma simulada processa 500 t/h de cana-de-açúcar com teores de sacarose variáveis. Para um teor de 13% de sacarose, foram obtidos 338,0 t/h de vinho delevedurado na operação continua com 8,3% em massa de etanol, que resultaram na produção de 30,1 t/h de etanol hidratado com 93,5% de álcool etílico em massa. Na operação descontinua foram obtidos 417,5 t/h de vinho delevedurado (6,3% de etanol em massa), que resultaram em 27,9 t/h de etanol hidratado (93,5% em massa). Nas duas configurações implementadas foram realizadas simulações para avaliar a influencia do teor de sacarose (11 a 15% em massa de sacarose) na entrada do processo na resposta do processo. Os resultados dessas simulações foram comparados vi com os obtidos para o modelo de conversão estequiométrica nas mesmas condições. Em relação as três configurações avaliadas na etapa de fermentação concluiu-se que o modelo de conversão estequiométrica pode ser empregado nas simulações, sendo principalmente indicado para estudos de otimização da destilaria autônoma com operação semi-contínua, pois tem convergência mais rápida. Contudo, vale lembrar que os efeitos de inibição não são reproduzidos na etapa de fermentação por este modelo, devendo estudos preliminares serem realizados empregando o modelo matemático implementado na configuração continua ou descontinua