197 COMPARAÇÃO ENTRE PROCESSO SEMICONTÍNUO E CONTÍNUO DE OBTENÇÃO DE ETANOL EM REATOR MEMBRANAR BIOCATALÍTICO COMPARING SEMI-CONTINUOUS AND CONTINUOUS PROCESS FOR ETHANOL OBTAINMENT IN BIOCATALYTIC MEMBRANE REACTOR Eder Cezano Gonçalves (1) Suelen Selma Borges da Silva (2) Mateus José Ramos Ferreira (3) Aline Lazareti Vieira (4) Marcelo Henrique Armoa (5) Leonardo Lucas Madaleno (6) Resumo Os Experimentos para obtenção de bioetanol realizados com a tecnologia de reator membranar biocatalítico visaram ao processo contínuo em reator de mistura ideal. O processo contínuo permite otimizar condições em relação aos descontínuos aumentando a produtividade, com longos períodos de duração de processo, redução de custos laboratoriais e de sanitização das dornas e maior facilidade de controle automático. Neste trabalho realizaram-se comparações entre o processo semicontínuo e o contínuo, identificando este como o mais vantajoso quanto à produtividade e as perspectivas para aprimoramento do processo de obtenção do bioetanol. Palavras-chave: Reator Membranar Biocatalítico. Processo contínuo. Processo semicontínuo. Abstract The experiments with biocatalytic membrane reactor technology for ethanol obtainment aimed at continuous process in Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR). This process can be more advantageous than the Batch Reactor (BR); it includes optimization of process conditions for increased productivity, long operation, reduction in laboratory costs and sanitization of vats and ease of automatic control. The work was conducted in two conditions, continuous and semicontinuous; with the results it was possible to identify the advantages of the CSTR compared to BR and the points that should be improved to obtain the best performance of the CSTR. Keywords: Biocatalytic Membrane Reactor; Continuous Process; Discontinuous Process. 1 (Graduando) em Tecnologia em Biocombustíveis pela Fatec de Jaboticabal. Endereço eletrônico: ederc852010@live.com. 2 (Graduando) em Tecnologia em Biocombustíveis pela Fatec de Jaboticabal. 3 (Tecnólogo) em Biocombustíveis pela Fatec de Jaboticabal. Endereço eletrônico: mateus_ferreira91@hotmail.com 4 (Tecnólogo) em Biocombustíveis pela Fatec de Jaboticabal. Endereço eletrônico: aline_lazareti@hotmail.com 5 (Doutor) em Química pela UNESP de Araraquara. Docente da Fatec de Jaboticabal. Físico-Química. Endereço eletrônico: mharmoa@fatecjaboticabal.edu.br. 6 (Doutor) em Eng. Agron. pela UNESP de Jaboticabal. Docente da Fatec de Jaboticabal. Eng. agrônomo. Endereço eletrônico: leoagro@gmail.com
198 1 Introdução Atualmente no Brasil, a maior parte da produção industrial de álcool em grande escala, ocorre em processos fermentativos em batelada (PINTO et al. 2010), com o substrato adicionado no início da fermentação, exercendo efeitos de inibição, repressão e ainda desvio do metabolismo celular a produtos indesejáveis. Além disto, apresenta períodos em que o fermento não é usado para processo fermentativo, durante o intervalo entre carga e descarga de dorna e durante a lavagem e esterilização do fermentador (BORZANI, 2001). O processo de fermentação contínua apresenta ininterrupta alimentação com açúcares e retirada de etanol do meio de cultura, buscando manter o volume de reação constante. Fundamentalmente caracteriza-se por operar por longos períodos de tempo em regime estacionário, suprimindo as desvantagens do processo em batelada tradicional (BORZANI, 2001). A obtenção de bioetanol em reator membranar biocatalítico se apresenta como tecnologia inovadora (FERREIRA et al., 2014), aliando as vantagens dos processos membranares, retirando-se as impurezas que vêm com a matéria-prima, permeando os nutrientes às leveduras e efetuando a separação constante do bioetanol, otimizando o processo de produção desse biocombustível. 2 Material e Métodos Este trabalho e todas as análises foram realizados nos laboratórios da Faculdade de Tecnologia Nilo de Stéfani (FATEC-Jaboticabal). Realizaram-se experimentos simulando os processos semi-contínuo e contínuo. Em ambos os processos foram utilizados: membranas macro-porosas de SiO2, para separar os reservatórios, com área de exposição de aproximadamente 17cm 2 (ARMOA, 2002), bombas centrífugas e leveduras (Saccharomyces cerevisiae). Foram realizadas análises de: Brix da matéria-prima (mosto) e do vinho fermentado e densidade após destilação. Foram utilizados os seguintes equipamentos: refratômetro, microdestilador e densímetro digital. A temperatura foi mantida em 32 ºC. O protótipo semi-contínuo utilizou-se de três reservatórios: a) reservatório de mosto (RM); b) reservatório de pré-fermentação (RPF); c) reservatório de fermentação (RF). O RM armazenou solução de sacarose a 250 g L -1, que foi permeada pela membrana submersa no RPF, até que o teor de sólidos solúveis em RPF atingisse o necessário para início da fermentação. Transferiu-se 3,000 L do mosto para RF junto a 1,150 litros de solução contendo levedura,
199 iniciando-se o processo fermentativo, com um total de 43,13 g L -1 de levedura na fermentação. Com o esgotamento dos açúcares realizou-se adição de 3,000 L de substrato aos 970 minutos do experimento. O protótipo contínuo utilizou-se de dois reservatórios: a) Reservatório de Mosto (RM); b) Reservatório de Fermentação (RF). Foi adicionado mosto ao RM e solução com levedura ao RF. Após o abastecimento de RM com solução de sacarose a 250 g L -1 (20,4 Brix), foi promovida a permeação pela membrana até atingir o volume de 3,000 L em RF. Foi adicionado 0,600 L da solução com levedura e iniciando-se o processo fermentativo, a um total de 27,78 g L -1 de levedura no reator. A pressão em RM foi mantida em 2,00 atm. 3 Resultados e Discussão A partir dos dados experimentais realizaram-se as relações entre Brix e percentual de etanol produzido e o tempo de processo para ambos os processos, conforme apresentado na figura 1, permitindo inferir sobre a tendência de manutenção do sistema. Figura 1. Comparação entre os processos contínuo e semi-contínuo durante a obtenção de etanol em reator membranar biocatalítico: a) variação temporal do teor de etanol no vinho; b) variação temporal do teor de sólidos solúveis no vinho; c) relação entre teor de sólidos solúveis e teor de etanol (ºBrix [%Et] -1 ) no vinho; d) variação temporal de (ºBrix [%Et] -1 ) no vinho. (a) (b) (c) (d) Na figura 1a observa-se que a produção de etanol apresenta maior área sob a curva para o processo contínuo (19980) em comparação ao semicontínuo (16500), comprovando que esse processo propõe maior produtividade à fermentação. Verifica-se em 2b e 2c que o teor de
200 sólidos solúveis do processo continuo não foi mantido em patamar, afastando o protótipo de um reator de mistura ideal. Entretanto, não se verificam oscilações ou descontinuidades ao longo de todo o processo, contribuindo para o tempo de operação do sistema e menor tempo entre entrada de substrato e saída do produto (lead time) no processo. Nota-se ainda que, embora apresente oscilações referentes aos abastecimentos intermitentes, o processo semicontínuo mostra taxa de consumo similar ao processo contínuo, indicando que as reações mantêm o mesmo comportamento nos dois modos. Para que se mantenha constante a concentração de substrato é desejável a automatização do sistema. A partir da figura 1d obtiveram-se as constantes (k / ºBrix [%Et] -1 min -1 ) para a condução dos processos contínuo e semicontínuo, respectivamente iguais a 3,28 x 10-2 e 3,08 x 10-2, demonstrando que o modo de condução do experimento não alterou a produção do etanol quanto à cinética dos processos. Pode-se observar que no processo semicontínuo a relação entre as variáveis é similar ao processo contínuo, porém o comportamento é modificado com a alimentação do sistema. Foi estabelecida uma relação entre o Brix e o etanol em função do tempo, observando-se através dos valores de qui-quadrado ( 2 ), que o processo contínuo ( 2 =0,98) mostra maior aderência ao decaimento exponencial do que o processo semicontínuo ( 2 =0,95). A necessidade de continuidade dos estudos é necessária a fim de otimizar as condições de contorno do experimento. A compreensão físico-química do processo, por meio de relações matemáticas entre as variáveis de estado, será buscada. Espera-se estabelecer o controle da relação (ºBrix [%Et] -1 ), e mantê-la em regime estacionário no reservatório de fermentação, de forma a manter condições ótimas para a ação das leveduras. O processo semicontínuo permitiu atingir resultados de 10,92% de bioetanol no reservatório de fermentação, enquanto o processo contínuo apresentou 9,44%, porém o processo contínuo pode ser mantido neste percentual por longo período de tempo, necessitando de aprofundamento nas pesquisas para estimá-lo, enquanto o semicontínuo impede o controle do percentual de bioetanol no reator, fazendo com que o mesmo se torne nocivo às leveduras selecionadas e prejudicando posteriormente o processo. 4 Conclusões Embora o processo semi-contínuo apresente maior percentual de etanol final no reator de fermentação, a retirada do vinho simultaneamente com a manutenção do substrato, permite
201 que a operação em modo contínuo seja vantajosa, pelo fato de oferecer maior aproveitamento de tempo, retirada de etanol (fator limitante), eliminação da etapa de separação de fermento e a possibilidade de controle automático. Dentre as principais perspectivas para o processo em estudo, a fim de que, após o domínio de algumas variáveis do sistema, o processo contínuo se torne mais viável, provendo assim um avanço significativo na tecnologia de produção de etanol por rota biotecnológica, necessita-se implementar: a) estudos de viabilidade da levedura selecionada em função do tempo; b) estudos sobre retirada de leveduras mortas durante o processo; c) controladores de fluxo na entrada e saída do reator; d) controle de ph; e) controle do nível de sólidos solúveis em função do tempo; f) testar o sistema utilizando substratos reais da indústria, caldo de cana ou melaço; g) estudos comparativos quanto à produção de produtos secundários (álcoois superiores, fenóis, aldeídos, dentre outros). Referências ARMOA, M. H. Otimização das condições hidrotérmicas no preparo de filtros macroporosos de sílica. 2003. 111 f. Dissertação (Mestrado em Química) Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista, Araraquara, 2002. BORZANI, W. Biotecnologia Industrial. 2 o ed., p.539, 2001. São Paulo: EDITORA EDGARD BLUCHER. FERREIRA, M. J. R.; GONÇALVEZ, E. C.; VIEIRA, A. L.; ARMOA, M. H.; MADALENO, L. L. Etanol obtido em reator membranar biocatalítico, jaboticabal, v.6.,2014. PINTO, F. DE S. F. O. G.; NAVES; FALEIRO., P. L. oc. Contaminação microbiana nas etapas e sua influencia no rendimento fermentativo em usina alcooleira, v. 6. Disponível em: <http://www.conhecer.org.br/enciclop/2010c/contaminacao microbiana.pdf>. Acessado em 02/ setembro de 2016.