Modeling, simulation and analyse of continuous reactors for enzymatic hydrolysis of sugar cane bagasse

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 hidróliseFor ever a century, the main source of fuel and chemicals for human society has come from fossil resources, which are limited and concentrated in a few regions of the world. Biomass, as the only source of renewable carbon, shows great promise for largescale economical production of renewable transportation and fuel chemicals. In the last decade the bioethanol production from lignocellulosic biomass via, enzymatic hydrolysis, has been intensively studied at laboratory level. Continuous reactors in which the cellulose and hemicellulose fractions of lignocellulosic substrates convert to reducing sugars (which are fermented to bioethanol) are the theme of this dissertation. The main issues considered are kinetics, contacting pattern and fluid dynamics, alternative configurations of continuous reactors, and continuous operating strategies with respect to substrate and enzyme. The most recent kinetic models for the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass, useful for reactor design, were reviewed and classified based on the number of reaction considered. Regarding to reactor design, the main factors that should be include a kinetic model are adsorption of enzymes on cellulose and lignin, inhibition of enzyme by glucose and cellobiose, substrate reactivity and enzyme deactivation. A kinetic model of a single reaction was fitted to experimental profiles of glucose and xylose obtained by the enzymatic hydrolysis of pretreated of sugarcane bagasse. This kinetic model differs of previous models in that it predicts xylose concentration based on glucose concentration. This kinetic model is a useful in the absence of experimental data on enzyme adsorption and substrate features others than concentration. The fluid dynamic behavior of biomass slurries during enzymatic hydrolysis is very complex due to the wide particle size distribution, the extremes shapes of particles and the significant rheological changes of the slurry with the progress of the enzymatic hydrolysis. This works reviewed the fluid dynamic behavior of fiber pulp suspensions and settling slurries because the fluid dynamic behavior of biomass through continuous reactors can be framed between these two limiting situations. In addition, a computational fluid dynamic model was developed to asses the fluid dynamic behavior of biomass slurries in tubular and baffled tubular reactors, motivated by the benefits of tubular reactors to carry out the enzymatic hydrolysis in terms of lower reaction volume and lower agitation requirements. On the other hand, the micromixing behavior of the flowing material was framed between two limiting situations: an incoming material that is broken up into discrete clumps in which the reaction proceed independently as in a batch reactor, and an incoming material that immediately comes into intimate contact with other fluid elements at molecular level. Conversions in continuous reactors corresponding to the above extreme states of micromixing were obtained. The continuous reactor considered were stirred tanks reactors in series, tubular reactors, and combination between them. As biomass adsorbs water, this may cause the bulk to become unsaturated at initial substrate concentration higher than 10% w/w, approximately. Operating the enzymatic hydrolysis in a distributed feeding mode by adding fresh substrate and enzyme at subsequent stirred tank reactors was proposed as an alternative to increase the volumetric productivity of reactors. A reactors configuration consisting of stirred tank reactors in series with continuous distributed feeding of substrate and enzyme, followed by a tubular reactor allow increasing the volumetric productivity of the reaction system overcoming mixing limitations and lowering the required reaction volume. It should be noted that this work is exploratory and that there are not major reports in open literature about the design and scale-up of continuous reactors for enzymatic hydrolysis. Some alternative continuous reactors, as well as modeling approaches for reactor design, are suggested. Of paramount importance are experiments to elucidate relevant aspects as reutilization of enzymes by recirculation of readsorption, adsorption of enzymes at high substrate concentrations (>10% w/w), and the relation between rheological properties of slurries with the extent of saccharificatio