SIMULAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DO ÁCIDO LÁCTICO EM UM SISTEMA DE DESTILAÇÃO REATIVA

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1 SIMULAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DO ÁCIDO LÁCTICO EM UM SISTEMA DE DESTILAÇÃO REATIVA A. KOMESU 1, P. F. MARTINS 1,2, B. H. LUNELLI 1, J. OLIVEIRA 1, R. MACIEL FILHO 1 M.R.WOLF MACIEL 1 1 Univrsidad Estadual d Campinas, Faculdad d Engnharia Química 2 Univrsidad Fdral dsão Paulo, Dpartamnto d Ciências Exatas da Trra para contato: andra_komsu@hotmail.com RESUMO- Nst trabalho, uma planta virtual composta por duas colunas d dstilação rativa (uma para a ração d strificação do ácido láctico com tanol, outra para a ração d hidrólis do lactato d tila com água) uma sção para rcupração d tanol foi dsnvolvida para a purificação do ácido láctico provnint da frmntação. A planta virtual do procsso foi dsnvolvida com o auxílio do Simulador Aspn Plus. As propridads trmodinâmicas cinéticas da ração foram primiramnt analisadas, postriormnt, as colunas d dstilação rativa foram projtadas d modo a s obtr maiors purzas d lactato d tila ácido láctico. UNIQUAC foi utilizado para o cálculo dos coficints d atividad. Os rsultados mostraram qu o procsso d purificação do ácido láctico proposto nst trabalho tm grand potncial para obtnção d ácido láctico com lvada purza (~ 85 %). 1. INTRODUÇÃO O dsnvolvimnto d procssos biotcnológicos industriais qu utilizm rcursos naturais rnovávis é uma ncssidad qu s faz prsnt nos dias atuais, dada a procupação com o abastcimnto d ptrólo o dsnvolvimnto sustntávl. Um grand intrss plos procssos frmntativos para produção d ácidos carboxílicos a partir d rcursos rnovávis tm sido dsprtado, sndo a produção d ácido láctico uma das mais importants ntr os ácidos orgânicos. A grand varidad d aplicaçõs o dsnvolvimnto d novos usos produtos, como na produção d polímros biodgradávis (poli-ácido láctico), solvnts vrds químicos oxignados, fizram com qu a produção d ácido láctico crscss considravlmnt nas últimas décadas stimulass a psquisa por tcnologias qu tornm o procsso mais viávl conomicamnt. No caso do ácido láctico, o dsnvolvimnto d um método ficaz d sparação purificação do ácido a partir do caldo d cana-d-açúcar frmntado é d suma importância, pois o procsso d sparação purificação corrspond a 50% do custo d produção (Waswart al., 2002). O procsso d dstilação rativa é aplicado spcificamnt m raçõs químicas rvrsívis na fas líquida, m qu a ração d quilíbrio limita a convrsão dos ragnts (Sot al., 1999). A dstilação rativa tm sido proposta como uma técnica promissora para a rcupração d ácido láctico com lvada purza lvado rndimnto do caldo d frmntação (Kumart al., 2006a) dvido a muitos motivos, ntr os quais pod-s dstacar a rdução dos custos com quipamntos na strificação, mlhora na convrsão dos ragnts,mlhora na sltividad dos produtos Ára tmática: Simulação, Otimização Control d Procssos 1

2 dsjados, significativa rdução da quantidad d catalisador rqurido para um msmo grau d convrsão possibilita a intgração nrgética para uma ração xotérmica ond o calor d ração pod sr usado para forncr o calor d vaporização rduzir o calor ncssário no rfrvdor. Divrsos studos variando os parâmtros condiçõs opracionais para a rcupração do ácido láctico nas dstilaçõs rativas têm sido rportadas (Sot al., 1999; Asthanat al., 2005;Kumart al., 2006b; Lunllit al., 2010; Mot al., 2011;Edrdrt al., 2011; Mujtabat al.; 2012). Novos studos para a rcupração do ácido láctico por mio da dstilação rativa são ncssários, d modo a s dsnvolvr um procsso mais conomicamnt atrant ficint para aplicaçõs industriais. Assim, st trabalho prtnd contribuir com o dsnvolvimnto d uma planta virtual d um procsso d purificação do ácido láctico a partir do caldo d frmntação, para obtnção do msmo com lvada purza (~ 85 %). 2. REAÇÕES PARA A RECUPERAÇÃO DO ÁCIDO LÁCTICO Para a rcupração do ácido láctico stão nvolvidas uma ração d strificação uma ração d hidrólis. A ração d strificação do ácido láctico com tanol é rvrsívl xotérmica, dada pla Equação 1, a ração d hidrólis do ácido láctico com água é rvrsívl ndotérmica, dada pla Equação 2. Estrificação: C H O C H OH C H O H O (1) Ácido láctico+tanol lactato d tila +água Hidrólis: C5H10O3 H2O C3H6O3 C2H5OH (Erro! Nnhum txto com o stilo spcificado foi ncontrado no documnto.) Lactato d tila+água ácido láctico+tanol 3. TERMODINÂMICA E CINÉTICA DO PROCESSO A slção d um modlo trmodinâmico para dtrminar o coficint d atividad é d fundamntal importância na prdição do quilíbrio d fass. Dados xprimntais disponívis na litratura para o sistma binário água ácido láctico (Sanz t al., 2003), tanol água (Cary Lwis t al., 1932) tanol lactato d tila (Pña-Tjdort al., 2005) foram comparados com os dados grados plos modlos trmodinâmicos NRTL (Non-Randow, Two-Liquid) UNIQUAC (Univrsal Quas-Chmical) o método UNIFAC (UNIQUAC FunctionalgroupActivityCofficint) no simulador Aspn Plus. O modlo trmodinâmico scolhido para o cálculo do coficint d atividad na fas líquidafoi o UNIQUAC pla boa concordância com os dados xprimntais a quação d stado d HaydnO Connll foi scolhido para o cálculo do coficint d fugacidad da fas vapor. A corrlação proposta por Haydn O Connll (1975) prmit stimar os coficints viriais para compostos polars, apolars qu formm associaçõs na fas vapor (Olivira, 2003). Os valors dos parâmtros para a cinética d strificação do ácido láctico com tanol foram Ára tmática: Simulação, Otimização Control d Procssos 2

3 obtidos d Dlgado t al. (2007), conform Tabla 1 Equação 3. Tabla 1- Parâmtros para a cinética d strificação hidrólis Ração 0 k (mol min -1 g -1 ) Estrificação, Hidrólis, E A, (kj mol -1 ) 64, , 05 Os parâmtros cinéticos foram obtidos para a ração d strificação homogêna sm a prsnça d catalisador xtrno. A hidrólis do lactato d tila é uma important ração qu pod sr usada para a obtnção d ácido láctico d lvada purza. Entrtanto, somnt o trabalho d Dlgado t al. (2007) aprsnta um studo sobr a cinética d hidrólis do lactato d tila. k E k 0 A, xp (3) RT ond k 0 (mol min -1 g -1 ) é o fator pré-xponncial d Arrhnius, E A, (kj mol -1 ) é a nrgia d ativação, R é a constant univrsal dos gass T é a tmpratura absoluta. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES O fluxograma doprocssoproposto para a purificação do ácido láctico é mostrado na Figura 1. A Tabla 2 mostra as condiçõs iniciais para as corrnts d alimntação a Tabla 3 mostra as spcificaçõs das colunas usadas na simulação do procsso d strificação hidrólis do ácido láctico. Figura 1-Fluxograma do procsso d strificação hidrólis do ácido láctico. Na coluna RD1, coluna d dstilação rativa ond ocorr a ração d strificação, a Ára tmática: Simulação, Otimização Control d Procssos 3

4 corrnt d VINHO contndo ácido láctico água provnint do procsso frmntativo d produção do ácido láctico é alimntada no topo da coluna a corrnt d ETANOL contndo tanol água é alimntada no fundo da coluna. O produto d topo da coluna RD1, corrnt ETANW, é nviado para a tapa d rcupração do tanol. A corrnt d fundo da coluna RD1 é alimntada m uma coluna d dstilação rativa RD2 para a ração d hidrólis. O produto d topo da coluna RD2, corrnt LACETANW, é nviado para a tapa d rcupração do tanol do lactato d tila ácido láctico é rcuprado no produto d fundo. Os prfis d composição mássica da fas líquida da fas vapor das colunas RD1 RD2 são mostrados nas Figuras 2 3, rspctivamnt. Corrnt Tabla 2- Condiçõs iniciais para as corrnts d alimntação l Tmpratura ( C) água (kg/h) ácido láctico (kg/h) tanol (kg/h) lactato d tila (kg/h) VINHO 34,00 57,400 40, ETANOL 78,50 39, ,000 - AGUA 100,00 99,395 3,143E-07 7,053E-12 0,181 LACTATO4 113,07 6,901 3,570E-11 0,024 53,311 Tabla3- Espcificaçõs das colunasusadas na simulação do procsso d strificação hidrólis do ácido láctico Coluna Númro d stágios Númro d stágios rativos Holdup (molar) Razão d rfluxo (mol) rsíduo (kmol/h) RD ,772 0,446 DIST ,576 RD ,9 0,82 DIST ,5 4,584 A B Figura2- Prfis das composiçõs mássicas na fas vapor (A) líquido (B) ao longo dos stágios da coluna d dstilação rativa (RD1). Ára tmática: Simulação, Otimização Control d Procssos 4

5 A B Figura 3- Prfis das composiçõs mássicas na fas vapor (A) líquido (B) ao longo dos stágios da coluna d dstilação rativa (RD2). As composiçõs das corrnts d produto das colunas RD1 RD2 são mostradas natabla 4. Lactato d tila com purza m massa d 98,1 % ácido láctico com purza m massa d 85,0 % foram obtidos na corrnt d fundo da coluna RD1 RD2, rspctivamnt. Tabla 4- Corrnts d produto da coluna RD1 RD2 RD1 RD2 Dstilado Rsíduo Dstilado Rsíduo Vazão (kg/h) 349,875 47, ,664 47,150 Fração mássica d água 0,296 0,019 0,810 0,150 Fração mássica d tanol 0,687 5,105E-04 0,182 6,199E-08 Fração mássica d ácido láctico 8,982E-10 7,497E-13 2,553E-6 0,850 Fração mássica d lactato d tila 0,017 0,981 8,279E-3 1,357E-05 Calculou-s o rndimnto do lactato d tila do ácido láctico. O rndimnto do lactato d tila (Y LE ) foi dfinido como o númro d mols d lactato d tila formado plo númro total d mols d ácido láctico alimntado na coluna RD1 (Equação 4).O rndimnto do ácido láctico (Y AL ) foi dfinido como o númro d mols d ácido láctico obtido na coluna RD2 plo númro d mols d ácido láctico alimntado na coluna RD1 (Equação 5). Y LE Y AL n d mols d lactato d tila formado n total d mols d ácido láctico inicial (4) n d mols d ácido láctico obtido n total d mols d ácido láctico inicial (5) O rndimnto do lactato d tila (Y LE ) foi d 0,889 o rndimnto do ácido láctico (Y AL ) foi d 0,999. Esss lvados valors confirmam qu o procsso d purificação do ácido láctico proposto nst trabalho tm grand potncial para obtnção d ácido láctico com lvada purza (85,0 %) lvado rndimnto d rcupração do ácido láctico (0,999). Ára tmática: Simulação, Otimização Control d Procssos 5

6 5. CONCLUSÕES Nst trabalho, foi proposta uma planta virtual para a purificação do ácido láctico provnint da frmntação. Lactato d tila com purza m massa d 98,1 % foi obtido alimntado na coluna d hidrólis grando ácido láctico com purza m massa d 85,0 %. A dstilação rativa é uma técnica promissora para a rcupração d ácido láctico com lvada purza lvada convrsão do caldo d frmntação, aprsntando muitas vantagns: mlhora na convrsão dos ragnts, mlhora na sltividad, rdução da quantidad d catalisador ntr outros. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASTHANA, N.; KOLAH, A.; VU, D.T.; LIRA, C.T.; MILLER, D.A continuous ractiv sparation procss for thyl lactat formation.org. Procss Rs. & Dv., v.9, p , CAREY, J.S.; LEWIS, W.K. Studis in distillation.liquid-vapor quilibria of thyl alcoholwatr mixturs.j. Ind. Eng. Chm., v.24, 882, DELGADO, P.; SANZ, M.T.; BELTRAN, S. Kintic study for strification of lactic acid with thanol and hydrolysis of thyl lactat using an ion-xchang rsin catalyst. Chm. Eng. J., v. 126, p , EDREDER, E.A.; MUJTABA, I.M.; EMTIR, M. Optimal opration of diffrnt typs of batch ractiv distillation columns usd for hydrolysis of mthyl lactat to lactic acid. Chm. Eng. J., HAYDEN, J. G.; O CONNELL, P.O. A gnralizd mthod for prdicting scond virial cofficints. Ind. Eng. Chm., Procss Ds.Dv., v.14, p , KUMAR, R.; MAHAJANI, S.M.; NANAVATI, H.; NORONHA, S.B. Rcovry of lactic acid by batch ractiv distillation.j. Chm. Tchnol. Biot., v. 81, p , 2006a. KUMAR, R.; NANAVATI, H.; NORONHA, S.B.; MAHAJANI, S.M.A continuous procss for th rcovry of lactic acid by ractiv distillation.j. Chm. Tchnol. Biot., v. 81, p , 2006b. LUNELLI, B.H.; ATALA, D.I.P.; OLIVEIRA, N.; WOLF MACIEL, M.R.; MACIEL FILHO, R. Ethyl lactat production using ractiv distillation: xprimntal and simulation. J.Biotchnol., v.150, p.569, MO, L.; SHAO-TONG, J.S.; LI-JUN, P.; ZHI, Z.; SHUI-ZHONG, L. Dsign and control of ractiv distillation for hydrolysis of mthyl lactat. Chm. Eng. Rs. Ds., MUJTABA, I. M.; EDREDER, E. A.; EMTIR, M. Significant thrmal nrgy rduction in lactic acid production procss.appl. Enrg., v. 89, p , Ára tmática: Simulação, Otimização Control d Procssos 6

7 OLIVEIRA, H. N. M. Dtrminação d dados d quilíbrio líquido-vapor para sistmas hidrocarbontos dsnvolvimnto d uma nova célula dinâmica. Natal: Engnharia Química, Univrsidad Fdral do Rio Grand do Nort, Ts (Doutorado). PEÑA-TEJEDOR, S.; MURGA, R.; SANZ, M.T.; BELTRÁN, S. Vaporliquidquilibriaandxcss volums ofthbinary systms thanol+thyllactat, isopropanol+isopropyllactatandn-butanol+n-butyllactatat kpa. Fluid Phas Equilibr., v.230, p , SANZ, M.T.; BELTRÁN, S.; CALVO, B.; CABEZAS, J.L. Vapor liquid quilibria of th mixturs involvd in th strification of lactic acid with mthanol. J. Chm. Eng. Data, v.48, p , SEO, Y.; HONG, W.H.; HONG, T.H. Effcts of opration variabls on th rcovry of lactic acid in a batch distillation procss with chmical ractions.koran J. Chm. Eng, v. 16, p , WASEWAR, K.L.; HEESINK, A.B.M.; VERSTEEG, G.F; PANGARKAR, V.G. Ractiv xtraction of lactic acid using alamin 336 in MIBK: quilibria and kintics. J Biotchnol, v. 97, p , AGRADECIMENTOS Os autors agradcm o apoio financiro da FAPESP (Procsso nº 2012/ ). Ára tmática: Simulação, Otimização Control d Procssos 7