Análise dinâmica das etapas integradas de evaporação e fermentação em biorrefinaria de cana-de-açúcar

Abstract

RESUMO: O Brasil é maior produtor mundial de etanol usando cana-de-açúcar como matéria-prima e sua produção tende a aumentar nos próximos anos. Dentre as tecnologias que procuram expandir o processo de produção de etanol, aquelas que levam à produção de etanol de segunda geração (2G) se apresentam como tecnologias promissoras. Apesar de ainda estar em desenvolvimento, é um consenso que o processo de produção de etanol 2G deve ser integrado à produção do etanol de primeira geração. A maior parte dos trabalhos nesse tema está dedicada em avaliar o processo em estado estacionário, porém o conhecimento da dinâmica do processo exerce um papel importante em sua eficiência operacional, economia, variabilidade, segurança e controle. Neste trabalho, duas etapas da produção de etanol são abordadas: evaporação de quádruplo efeito contínua e a fermentação operada no modo de batelada alimentada. Modelos fenomenológicos dinâmicos dessas etapas foram acoplados no simulador de processos EMSO. Para simulação do processo de etanol 2G foi inserida uma corrente de xarope de glicose na corrente de caldo e simulações foram executadas para análise do comportamento dinâmico desse sistema integrado. Perturbações degrau foram aplicadas no brix (concentração de açúcar), vazão volumétrica e temperatura do caldo de cana. A perturbação no brix apresentou a resposta com o maior tempo de estabilização e gerou a maior variação na concentração de açúcares no caldo concentrado e de etanol dos fermentadores. A perturbação na vazão volumétrica gerou respostas de menor variação, porém com ganhos de concentração crescentes com o aumento da magnitude da perturbação. O quarto evaporador exibiu um baixo ganho de concentração. Consequentemente, os fermentadores foram pouco afetados. A perturbação na temperatura da alimentação gerou respostas com menor tempo de estabilização, afetando de forma significativa o quarto evaporador, com queda total em sua taxa de evaporação. O sistema fermentativo não apresentou respostas relevantes à perturbação na temperatura

ABSTRACT: Brazil is the largest producer of ethanol from sugarcane in the world and its production tends to increase in the coming years. Among the technologies that seek to expand the ethanol production process, those concerned with second-generation (2G) ethanol production is presented as a promising one. Although still in development, it is a consensus that this process should be integrated to the production of first generation ethanol. Most of the work is devoted to assess the steady-state process. However, the knowledge of the process dynamics has na essential role in its efficient operation, economics, variability, safety, and control. In this work, two stages of ethanol production are addressed: continuous quadruple effect evaporation and fed batch fermentation. Phenomenological dynamic models of these stages were coupled and implemented in EMSO process simulator. For the simulation of the 2G ethanol process, a stream of glucose syrup was mixed with the sugarcane juice feed and simulations were performed to analyze the dynamic behavior of this integrated system. Step disturbances were applied on brix (sugar concentration), volumetric flow rate and temperature of the sugarcane juice and the output response of the equipment was analyzed. The disturbance on brix presented the response with longer stabilization time and generated the greatest variation in sugar concentration in the concentrated juice and in the ethanol concentration of the fermenter. The disturbance in the volumetric flow rate generated responses of smaller variation, but with increasing concentration gains with the increase of disturbance magnitude. The fourth evaporator exhibited a low concentration gain. Consequently, the fermenters were little affected by the change. The disturbance on feed temperature generated responses with a lower stabilization time, significantly affecting the fourth evaporator leading to a complete stop in its evaporation rate. The fermentation system presented no relevant responses to temperature disturbance