Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1
6460.pdf: 5784014 bytes, checksum: b5d530fa8eb34cab80042a1e35cb0086 (MD5)
Previous issue date: 2014-12-15 / In the ethanol fermentation processes, the product inhibition phenomenon limits the ethanol concentration in the fermented wine around 10% v.v-1, which results in a large volume of vinasse (around 12Lvinasse/Lethanol) and high level of energy consumption by distillation (around 2,5 Kgvapor/Lethanol). Alternative technologies designed to remove ethanol from the fermentation broth have been studied in the literature. One example is the operation of ethanol entrainment by a carrier gas, known as stripping, which in addition to the removal of the ethanol, a reduction of the temperature of the medium is expected due to the vaporization. In this context, the stripping operation could be used to control the ethanol concentration and cooling the fermentation process, as it could be used after the fermentation to promote the ethanol separation, being an alternative to distillation, reducing the energy consumption. In this study it was analyzed the stripping operation using CO2 (generated during the fermentation) in pilot plant. A factorial design was applied to evaluate the influence of the initial temperature of the solution (T0) and specific flow rate of the carrier gas (CO2) on the following stripping performance parameters: entrainment factor (FA), concentration factor (FC), and temperature reduction factor (FT). Furthermore, a mathematical model was proposed to describe the ethanol mass (mET) and the temperature (T) changes during the stripping operation. It has evaluated the performance of the ethanol recovery system and an extractive fermentation. The results showed that FA and FT were positively affected by T0, because the temperature increasing leads to greater vaporization, promoting greater entrainment of the ethanol and the high extraction of energy from the medium. The FA was also positively influenced by CO2, because it promotes greater mass transfer rate and contact area between the bubbles and liquid phase. The CO2 influenced the FT positively, but only for smaller CO2. Suppose that, for larger CO2, the equilibrium was not reached due the lower residence time of the bubbles in the wine, by removing smaller amount of energy from the liquid phase. The FC was negatively influenced by T0, because of the entrainment of a larger amount of water together with the ethanol has occurred. From the simulated results it was observed that, for smaller CO2, the expected results for the proposed model were close to the experimental, with maximum errors of 10%, concluding that the model is valid, i.e., the equilibrium was reached and the effect of mechanical entrainment was negligible. However, for larger CO2, the errors were higher (20%), concluding that the system has not reached the equilibrium and the effect of mechanical entrainment was significant. The ethanol recovery system of the CO2 stream presented 66.88 and 40.93% efficiency for the assays carried out at 33 and 65ºC, respectively, therefore with a low performance. In the extractive fermentation it was observed that the removal of the ethanol from the medium reduced the product inhibition and increased the substrate consumption rate. The CO2 flowthrough the fermentation medium (CO2 of 1.0 vvm) contributed to the reduction in the temperature of the medium in 41%. Furthermore, there was a decrease in the values of the volumetric flow rates of the cooling water, around 34%, in extractive fermentation when compared to conventional fermentation, indicating a potential savings of the 34% on inputs in the cooling towers and, also, saving energy in pumping this water. / Na fermentação alcoólica, o fenômeno da inibição pelo produto limita a concentração de etanol no vinho ao redor de 10 ºGL, o que resulta em grande volume de vinhaça (ca. 12 Lvinhaça/Letanol) e alto consumo de vapor na etapa de destilação (ca. 2,5 kgvapor/Letanol). Tecnologias para remover etanol do vinho vêm sendo estudadas. Exemplo é a operação de arraste de etanol por um gás, conhecida como stripping, que além da remoção de etanol, provoca também a redução da temperatura do meio reacional devido à sua vaporização. Neste contexto, a operação de stripping poderia ser utilizada tanto no controle da concentração de etanol e na redução da temperatura do meio fermentativo, como poderia ser utilizada após a fermentação para a extração de etanol do vinho, sendo uma alternativa à destilação, reduzindo o consumo de vapor da planta. Neste trabalho avaliou-se a operação de stripping, em escala piloto, utilizando CO2 (gerado no próprio processo industrial). Um planejamento fatorial foi utilizado para avaliar a influência das variáveis independentes, temperatura inicial do vinho (T0) e vazão específica de CO2 (CO2), nos parâmetros de desempenho: Fator de Arraste (FA), Fator de Concentração (FC) e Fator de Redução de Temperatura (FT). Além disso, desenvolveu-se um modelo para prever as variações da massa de etanol (mET) e da temperatura (T) do sistema durante a operação de stripping. Avaliou-se, também, o desempenho de um sistema de recuperação de etanol e de uma fermentação extrativa. Os resultados mostraram que o FA e o FT foram positivamente influenciados por T0, pois o aumento da temperatura gera maior vaporização, o que contribui para maior arraste de etanol e maior retirada de energia do meio. O FA foi também influenciado positivamente pela CO2, pois promove maior transferência de massa e área de contato entre as bolhas e o vinho. A CO2 influenciou positivamente o FT, porém, apenas para as menores CO2. Supõe-se que, para as maiores CO2, as bolhas não atingiram o equilíbrio devido ao menor tempo de residência das bolhas no vinho, retirando menor quantidade de energia do meio. O FC foi influenciado negativamente por T0, pois ocorre o arraste de uma maior quantidade de água juntamente com o etanol. A partir dos resultados da simulação observou-se que, para as menores CO2, os resultados previstos pelo modelo proposto ficaram próximos aos experimentais, com desvios máximos de 10%, concluindo-se que o modelo foi válido, ou seja, atingiu o equilíbrio e o efeito da sublação foi desprezível. Porém, para as maiores CO2, os desvios foram maiores (20%), concluindo-se que o sistema não atingiu o equilíbrio e o efeito da sublação foi significativo. O sistema de recuperação de etanol da corrente de CO2 mostrou eficiência de 66,88 e 40,93%, para os ensaios a 33º e 65 ºC, respectivamente, apresentando, portanto, um baixo desempenho. Notou-se que na fermentação extrativa houve a remoção de etanol do meio, reduzindo a inibição pelo produto e aumentando a velocidade de consumo de substrato. A passagem do CO2 pelo meio fermentativo (CO2 de 1 vvm) contribuiu para redução da temperatura do meio em 41%. Além disso, houve o decréscimo dos valores das vazões volumétricas da água de resfriamento, em torno de 34%, nas fermentações extrativas quando comparadas com as convencionais, indicando uma potencial economia de 34% em insumos nas torres de resfriamento e, também, economia de energia no bombeamento desta água.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/3963 |
| Date | 15 December 2014 |
| Creators | Pinto, Camila Ramos da Silva |
| Contributors | Cruz, Antonio José Gonçalves da |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFSCar, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0029 seconds