PROCESSO CONTÍNUO DE OBTENÇÃO DE ETANOL EM REATOR MEMBRANAR BIOCATALÍTICO CONTINUOUS PROCESS OF OBTAINING ETHANOL IN BIOCATALYTIC MEMBRANE REACTOR

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1 191 PROCESSO CONTÍNUO DE OBTENÇÃO DE ETANOL EM REATOR MEMBRANAR BIOCATALÍTICO CONTINUOUS PROCESS OF OBTAINING ETHANOL IN BIOCATALYTIC MEMBRANE REACTOR Suelen Selma Borges da Silva (1) Éder Cezano Gonçalvez (2) Mateus José Ramos Ferreira (3) Aline Lazareti Vieira (4) Marcelo Henrique Armoa (5) Wagner Rodrigues Meyer (6) Resumo A produção de Bioetanol é favorecida por processos membranares, ao retirarem-se impurezas que vêm com a matéria-prima, permitindo aos nutrientes necessários para as leveduras, não sejam removidos, otimizando desta forma o processo de produção desse biocombustível. Este trabalho apresenta resultados referentes a busca por um reator de mistura que opere em modo contínuo, o processo em apenas uma etapa e sem pausas no processo. O protótipo concebido atingiu expectativas. O estado estacionário para a produção de bioetanol foi estabelecido em 9,56% verificando-se ainda consumo de açúcares. O processo oferece menor tempo de pausa da operação e maior produtividade na obtenção do bioetanol. Palavras-chave: Produção de Bioetanol. Reator de Mistura Contínuo. Reator Membranar Biocatalítico. Abstract The production of bioethanol may prove to be favored by membrane processes to withdraw from the impurities that come with the raw material, allowing the nutrients necessary for yeast, added to the fermentation process, are not removed, thus optimizing the process production of this biofuel. This paper presents the results of the search for a mixing reactor that operated in continuous mode, performed in one step and without breaks during the process. The designed prototype is a mixing reactor that operates continuously. Stationary state for bioethanol production was set at 9.56 % still checking up consumption of sugars. The process provides reduced break time of the operation, lead time of the products and increased productivity in obtaining bioethanol. Keywords: Bioethanol. Reactor Continuous Mix. Biocatalytic Membrane Reactor. 1 (Graduando) em Tecnologia em Biocombustíveis pela Fatec de Jaboticabal. suelen_borges2010@hotmail.com 2 (Graduando) em Tecnologia em Biocombustíveis pela Fatec de Jaboticabal. 3 (Tecnólogo) em Biocombustíveis pela Fatec de Jaboticabal. 4 (Tecnólogo) em Biocombustíveis pela Fatec de Jaboticabal. 5 (Doutor) em Química pela UNESP de Araraquara. Docente da Fatec de Jaboticabal. Físico-Química. mharmoa@fatecjaboticabal.edu.br. 6 (Mestre) em Química pela UNESP de Araraquara. Docente da Fatec de Jaboticabal. Análise instrumental.

2 192 1 Introdução A obtenção de bioetanol em reator membranar biocatalítico se apresenta como tecnologia inovadora (FERREIRA et al., 2014), apresentando inúmeras vantagens, dentre as quais: a) uso de membranas cerâmicas para proteger o processo de fermentação de microorganismos invasores oriundos da matéria-prima; b) uso exclusivo de leveduras selecionadas, visando maior rendimento do processo fermentativo e menor formação de produtos secundários; c) elevada retenção de material coloidal e macromoléculas pela membrana, minimizando subprodutos indesejados; d) retirada contínua do etanol do processo, evitando que seja um fator limitante; e) eliminação total do uso de antibióticos. O mesmo autor classificou a proposta supracitada como processo semi-contínuo (ou batelada alimentada), devido ao grande intervalo de tempo entre dois abastecimentos subsequentes (FERREIRA, 2014). Posteriormente propõem-se a eliminação do tempo de abastecimento, na busca pelo processo contínuo de obtenção de etanol em reator membranar biocatalítico. Processos contínuos são caracterizados por interrupções mínimas em qualquer corrida de produção, minimizando pausas e tempo de processamento em relação ao processo de batelada, tendo assim elevada velocidade de produção. Porém a distinção dos processos contínuo e batelada é vaga, ainda não existindo uma definição rigorosa para tais termos. Sendo assim, alguns autores usam determinados critérios para definir o tipo de produção e suas consequências sobre o equipamento utilizado para sua fabricação (BORGES; DALCOL, 2002). Processos contínuos podem ser exemplificados por aqueles em que o substrato é inserido pela entrada do reator, convertido em produtos, os quais são retirados pela saída. Para reatores ideais básicos são previstas três configurações. O reator descontínuo só permite a realização de processos em batelada, no qual todos os reagentes são introduzidos uma única vez sob agitação mecânica. O reator tubular só permite a realização de processos contínuos, os quais são efetuados sem agitação e com escoamento das partículas com mesma velocidade em direção ao fluxo. Finalmente, o reator de mistura pode operar com processos contínuos ou semicontínuos, realizados em tanques agitados com escoamento contínuo e sem o acúmulo de reagentes ou produtos (PEREIRA, 2000). O reator membranar biocatalítico concebido por (FERREIRA et al., 2014) representou a busca por um reator de mistura que operasse em modo contínuo, buscando abastecimento ininterrupto com entrada de substrato e saída de produto em incrementos reduzidos de tempo,

3 193 realizado em apenas uma etapa e sem pausas durante o processo. Apresenta-se neste trabalho os resultados referentes a evolução do protótipo. 2 Material e Métodos Este trabalho e todas as análises foram realizados nos laboratórios da Faculdade de Tecnologia Nilo de Stéfani (FATEC-Jaboticabal). Para tanto foram utilizados: a) membranas macro-porosas de SiO 2, para separar os reservatórios, com área de exposição de aproximadamente 17cm 2 (ARMOA, 2007); b) bombas centrífugas para circulação do fluído; c) leveduras (Saccharomyces cerevisiae). Foram realizadas análises: a) teor de sólidos solúveis (Brix da matéria-prima e do vinho fermentado); b) teor de etanol no vinho por densidade após destilação. Foram utilizados os seguintes equipamentos: refratômetro, microdestilador e densímetro digital. O protótipo (figuras 1 a e b) utilizado é composto por: a) reservatório de Mosto (RM); b) reservatório de Fermentação (RF); c) dois módulos de filtração tangencial com membranas macro-porosas de sílica; d) bombas centrífugas; e) banho termostatizado mantendo a temperatura de RF a 32 C. Figura 1: a) Esquema do processo contínuo: 1 RM; 2 e 4 módulos de filtração tangencial; 3 RF; 5 saída do vinho filtrado; 6 saída para a destilação; b) Foto do processo contínuo. (a) (b)

4 194 Foi adicionado mosto ao RM e solução com levedura ao RF. O mosto utilizado foi a solução de sacarose a 250 g L -1 (20,4 Brix), sendo permeado pela primeira membrana e adicionado automaticamente ao RF. Completados 3,00 L de solução em RF, este recebeu a solução com levedura, totalizando 27,78 g L -1 de levedura em RF e iniciando-se a fermentação. Coletaram-se amostras periódicas de vinho na saída do RF, destinadas à destilação e determinação do teor de etanol. A pressão do RM foi ajustada em 2 atm, a fim de manter o fluxo de alimentação de substrato em RF. 3 Resultados e Discussão O processo contínuo de fermentação apresentou um comportamento de redução do Brix em relação ao tempo, ocorrendo constantemente a hidrólise da sacarose e o consumo de açúcares pelas leveduras, como pode ser observado na figura 2a. Figura 2. Variação temporal no reservatório de fermentação: a) percentual dos sólidos solúveis; b) percentual de bioetanol. (a) (b) Em um reator de mistura ideal o teor de sólidos solúveis deveria demonstrar um patamar, com o fluxo de entrada de substrato e seu consumo pelas leveduras mantenham-se constantes após o processo entrar em regime. A figura 2b representa a produção de bioetanol em função do tempo no sistema. Observa-se o estabelecimento de um patamar em 9,56%, valor que supera o mínimo necessário para o envio do vinho à destilaria. Inicialmente o estabelecimento deste patamar foi compreendido como diminuição na produção do etanol devido a fatores como: a) diminuição na viabilidade das leveduras; b) aumento de fluxo na entrada e saída do biorreator; c) diminuição do Brix. Entretanto podemos observar que, estabelecido o patamar na produção de

5 195 bioetanol, o consumo de sólidos solúveis continua, indicando que o sistema haveria entrado em estado estacionário. 4 Conclusões A obtenção de etanol em reator membranar biocatalítico mostrou se factível. Foi estabelecido um patamar estacionário de produção do etanol em 9,56%, suficiente para o envio do vinho à destilaria e que poderia ser mantido por longos períodos de tempo, minimizando o lead time do processo e por consequência custos da produção, dispersando o tempo de preparo do sistema no processo produtivo. O longo tempo sem interrupção otimiza a produtividade, aprimorando-se o processo ao aproximá-lo de um processo contínuo em um reator de mistura ideal. São perspectivas os estudos em relação ao balanço de massa, à manutenção do teor de substrato em RF, bem como a retirada do etanol do mesmo, a fim de aproximá-lo de um reator de mistura ideal. Controlar a biomassa no reservatório de fermentação, estudando-se a viabilidade em relação ao tempo, é uma prioridade para evoluir o protótipo. Espera-se que o processo membranar e contínuo ofereça minimização da quantidade de produtos secundários (álcoois superiores, fenóis, aldeídos, dentre outros) no produto. 5 Agradecimentos/ Apoio financeiro Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), pela bolsa PIBITI concedida. Referências ARMOA, M. H. Otimização das condições hidrotérmicas no preparo de filtros macroporosos de sílica f. Dissertação (Mestrado em Química) Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista, Araraquara, BORGES, F. H.; DALCOL, P. R. T. Indústrias de Processo: Comparações e Caracterizações. XXII Encontro Nacional de Engenharia de Produção, p. 1 9, FERREIRA, M. J. R. Etanol obtido em reator membranar biocatalítico. Trabalho de Graduação. Fatec Nilo De Stéfani, Jaboticabal, FERREIRA, M. J. R.; Gonçalvez, E. C.; Vieira, A. L.; Armoa, M. H.; Madaleno, L. L. Etanol obtido em reator membranar biocatalítico. Ciência & Tecnologia: Fatec-JB, v. 6, n. II

6 196 Simpósio de Tecnologia Sucroenergética e de Biocombustíveis, p , PEREIRA, M. A. Escola de Engenharia de Lorena - USP - Cinética Química. Disponível em: < Acesso em: 2 set