In the fermentation process for ethanol production, the yeast Saccharomyces cerevisiae are
recovered and recycled to a new stage of fermentation. This separation process is a major
challenge, because the yeasts are small and low density. For this purpose the hydrocyclone
emerges as an interesting alternative, because it uses the same principle of centrifugal
separation, requires low maintenance and can be readily sterilized. This study aimed to
optimize the separation process of yeast fermentation using hydrocyclones. To this end, was
evaluated through experimental studies the influence of geometric and operational variables
on the performance of hydrocyclones. A factorial experimental design (34) was applied and
the results were used for the determination of empirical mathematical models that describe the
capacity, total efficiency of separation, the flow ratio and reduced separation efficiency as a
function of different geometric variables (feed inlet diameter, overflow diameter and angle of
the hydrocyclone cone) and pressure drop. The geometry "optimum" founded was used in
another factorial experimental design which aimed at evaluating the effect of concentration
and pressure drop on the performance of the hydrocyclone. The diameters of the feed and
overflow pipes studied were 2, 3 and 4 mm, while the angles of the hydrocyclone cone ranged
from 6, 8 and 10º. The tests were conducted with suspensions of yeast in water with yeast
concentrations from 0.5% to 5.5% by mass. All tests were performed at three different
pressure drops (15, 23 and 31 psi). For yeast concentration of 1% was obtained total
efficiencies of separation between 36.54 to 92.02%, reduced separation efficiencies from 4.67
to 55.59%, capacities from 0.1183 to 0.4579 m3/h and flow ratios, ranging from 31.74 to
84.30%. It also investigated the centrifugal forces generated within these devices ranging
from 291g to 4153g. Analysis and discussion of the results show that the reduction of
geometric variables with the increase in pressure drop and use of less concentrated
suspensions led, in general, to an increase in total efficiency of separation. For the largest
pressure drop conditions, the reduction of viability was checked and presented values below
6.76%. CFD techniques have also been applied in order to simulate the internal flow of a
hydrocyclone. / No processo de fermentação para produção de etanol, as leveduras de Saccharomyces
cerevisiae são recuperadas e recicladas para uma nova etapa de fermentação. Este processo de
separação representa um grande desafio, pois as leveduras são pequenas e com baixa
densidade. Para tal finalidade, o hidrociclone surge como uma alternativa interessante pois,
além de utilizar o mesmo princípio de separação das centrífugas, requer baixo custo de
manutenção e pode ser prontamente esterilizado. O presente trabalho teve como objetivo
otimizar o processo de separação de leveduras da fermentação alcoólica utilizando
hidrociclones. Para tanto, avaliou-se, através de estudos experimentais, a influência de
variáveis geométricas e operacionais sobre o desempenho de hidrociclones. Um planejamento
experimental fatorial (34) foi empregado e os resultados foram usados para a determinação de
modelos matemáticos empíricos que descrevem a capacidade, eficiência total, a razão de
líquido e a eficiência total reduzida como função de diferentes variáveis geométricas
(diâmetro da alimentação, diâmetro do overflow e ângulo de tronco de cone) e da queda de
pressão. A geometria ótima encontrada foi utilizada em um outro planejamento 3 níveis que
visava avaliar o efeito da concentração e da queda de pressão sobre o desempenho deste
hidrociclone. Os diâmetros dos dutos de alimentação e overflow estudados foram de 2, 3 e 4
mm, enquanto que os ângulos de tronco de cone analisados foram de 6, 8 e 10º. Os ensaios
foram conduzidos com suspensões de leveduras em água, com concentrações de leveduras de
0,5% a 5,5% em massa. Todos os testes foram realizados a três diferentes quedas de pressão
(15, 23 e 31 psi). Para uma concentração de leveduras de 1%, foram obtidas eficiências totais
de separação entre 36,54 a 92,02%, eficiências totais reduzidas de 4,67 a 55,59%, capacidades
de 0,1183 a 0,4579 m3/h e razões de líquido com valores entre 31,74 a 84,30%. Investigaramse
também as forças centrífugas geradas no interior destes equipamentos que variaram de
291g a 4153g. Da análise e discussão dos resultados, pôde-se identificar que a diminuição das
variáveis geométricas junto ao aumento na queda de pressão e utilização de suspensões menos
concentradas levou, de um modo geral, a um aumento na eficiência total de separação. Para as
maiores condições de queda de pressão foram verificadas as quedas de viabilidade que se
situaram abaixo de 6,76%. Técnicas de CFD também foram aplicadas no intuito de simular o
escoamento interno de um hidrociclone. / Mestre em Engenharia Química
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/urn:repox.ist.utl.pt:RI_UFU:oai:repositorio.ufu.br:123456789/15161 |
| Date | 28 July 2011 |
| Creators | Bicalho, Isabele Cristina |
| Contributors | Duarte, Claudio Roberto, Ataide, Carlos Henrique, Vieira, Luiz Gustavo Martins, Paixão, Ana Eleonora Almeida, Béttega, Rodrigo |
| Publisher | Universidade Federal de Uberlândia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFU, BR, Engenharias |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFU, instname:Universidade Federal de Uberlândia, instacron:UFU |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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