Modeling, simulation and control of an evaporator flash connected to a unit of continuous alcoholic fermentation.

Resumo: A necessidade de pesquisa e desenvolvimento de combustíveis alternativos vem crescendo em todo o mundo, devido à previsão de escassez das fontes de energia de origem fóssil. O álcool etílico apresenta características positivas para ser utilizado como combustível em larga escala, como custo relativamente baixo, ser menos poluente, e poder ser produzido a partir de uma matriz renovável pela fermentação de produtos de origem vegetal. Neste trabalho, simulou-se um processo de produção de etanol, em que um evaporador flash é acoplado a uma unidade de fermentação para retirada contínua de parte do etanol, com o intuito de reduzir a concentração deste no interior do fermentador, e assim diminuir a inibição sofrida pela levedura. Com isso, pretende-se aumentar a produtividade e o rendimento do processo. Este modelo de fermentação foi inicialmente desenvolvido por SILVA (1997), e aplica balanços de massa e energia, e equações de cinética de crescimento baseados em dados experimentais e práticos. Foi aplicada a solução de flash sugerido por RACHFORD & RICE (1952), e para modelar o meio complexo utilizou-se o modelo de equilíbrio preditivo desenvolvido por PERES & MACEDO (1997), para simular dois tipos de flash: o isotérmico, trabalhando a temperatura constante de 30oC, e o adiabático ou isolado termicamente. Ainda foi sugerida uma estratégia para o controle do equipamento, comparando-se o controle clássico PID com um controle preditivo DMC. O efeito da presença de açúcares foi pouco significativo no modelo, por se trabalhar em baixas concentrações. A fermentação alcoólica com a presença do evaporador flash foi eficiente no controle da temperatura no interior do fermentador, dispensando a presença de um trocador de calor para o resfriamento do sistema. Comparando as performances dos dois tipos de flash, verificou-se que o flash adiabático mostrou ser o melhor a ser implementado, por poder operar em maior pressão (42.6 mmHg) do que o isotérmico (35.5 mmHg), além de ser de mais fácil construção e operação. Em relação ao processo convencional em batelada, a fermentação flash mostrou ser mais produtiva (21 g/l.h), mas com um rendimento um pouco menor (81.5%) para o processo com flash isotérmico. Para o controle do evaporador flash, manipulou-se a taxa de reciclo do tanque flash, com o objetivo de controlar a temperatura no interior do fermentador. Tanto o controle PID como o DMC otimizados foram eficazes, entretanto o controle preditivo apresentou menores valores de ITAE frente às perturbações, mostrando em geral menor oscilação nas variáveis controladas, mas uma estabilização um pouco mais lenta que o PID.Abstract: In the whole world, the demand for alternative fuel research and development is raising, due to reduction of fossil energy sources. Ethylic alcohol has very positive characteristics as a large-scale fuel, as relatively low cost of production, to be less pollutant and to be produced by a renewable matrix as alcoholic fermentation of a vegetable source. In this work, a flash evaporator coupled to alcoholic ethylic fermentation for ethanol continuous removing was simulated, in order to reduce the ethanol concentration inside the fermentator and to decrease the yeast inhibition, so productivity and efficiency can be increased. The fermentation model has been initially developed by SILVA (1997), and applies mass and energy balances, and kinetics growth equations based on experimental and practical data. It has been applied the RACHFORD & RICE (1952) flash solution, and the PERES & MACEDO (1997) equilibrium predictive model to represent a complex media as fermented molasses. Two flash types have been modeled: the isothermal flash, working at a constant temperature of 30oC, and the adiabatic or thermal isolated flash. A control strategy was implemented to the equipment model, comparing a classic PID control with a predictive control (DMC). The effect of the sugars had little influence to the flash model, because of the low concentration of sugar in the media. The alcoholic fermentation with the flash evaporator was very efficient to control the temperature inside de fermentator, therefore a cooling heat exchanger isn?t necessary in this kind of system. Comparing the flash types performances, it has been noted that the adiabatic flash showed to be better than isothermal flash, because the first was able to work at a higher pressure (42.6 mmHg) then the isothermal (35.5 mmHg), and being easier to construct and operate. This flash fermentation was more productive (21g/l.h) than the conventional batch fermentation, although the yield was lower (81.5%) for the process with isothermal flash. The implemented control strategies were efficient to keep constant the temperature inside the fermentator, using the flash recycle rate as manipulated variable. However, DMC strategy had smaller ITAE values than PID control, showing usually lower oscillation, but a little more stabilization time in the controlled variables than PID