Orientadores: Adriano Pinto Mariano, Jean-Christophe Stefen Gilles Bonhivers

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Bactérias do gênero Clostridia responsáveis pela fermentação ABE (Acetona-Butanol-Etanol) sofrem forte inibição pelo butanol, resultando em processos diluídos com baixa eficiência energética e volume excessivo de vinhaça. Uma forma de resolver esse problema é com o uso de tecnologias de...

Resumo: Bactérias do gênero Clostridia responsáveis pela fermentação ABE (Acetona-Butanol-Etanol) sofrem forte inibição pelo butanol, resultando em processos diluídos com baixa eficiência energética e volume excessivo de vinhaça. Uma forma de resolver esse problema é com o uso de tecnologias de fermentação com recuperação integrada de produtos. Entre estas, destaca-se a fermentação a vácuo devido à sua simplicidade. Contudo, estudos anteriores demonstram que a etapa de condensação dos vapores gerados durante a ebulição do caldo fermentativo consome muita energia elétrica, o que encarece muito o processo. Para tentar resolver esse problema da fermentação a vácuo, desenvolvemos um sistema de condensação que se baseia em ejetores operados com solvente orgânico para a geração do vácuo. O solvente orgânico é o etileno glicol que pode ser reaproveitado na etapa de purificação dos produtos pela destilação extrativa. Foram propostas diferentes configurações para o processo com ejetores a vapor de etileno glicol. Ainda, desenvolvemos outros cenários utilizando ejetores a vapor de água e compressores. Os estudos foram realizados via simulação computacional (Aspen Plus®) e a eficiência de cada processo proposto (fermentação a vácuo/condensação/destilação) foi avaliada mediante análises energética (análise pinch) e econômica. A substituição de compressores por ejetores reduz muito o consumo de eletricidade, porém aumenta a demanda de outras utilidades. De todos os processos desenvolvidos, a planta com apenas compressores apresentou o menor custo total (209.8 US$/ton butanol) seguida da planta com ejetores a vapor de etileno glicol (233.7 US$/ton butanol). Ambos os casos foram mais econômicos que o processo convencional sem vácuo (235.3 US$/ton butanol). A vantagem dos novos processos é ainda maior para custos menores de eletricidade e custos altos de investimento. Concluímos que a fermentação ABE a vácuo do tipo flash com compressor e/ou ejetor a vapor de etileno glicol tem potencial de apresentar um custo total inferior ao processo convencional sem vácuo, desde que haja integrações energéticas. Além dos benefícios econômicos, as plantas desenvolvidas são mais compactas e causam um menor impacto ambiental com a fertirrigação excessiva de vinhaça

Abstract: Solventogenic Clostridium species responsible for the ABE fermentation (Acetone-Butanol-Ethanol) are strongly inhibited by butanol, resulting in dilute processes with low energy efficiency and large stillage production. Possible solutions include fermentation technologies with integrated...

Abstract: Solventogenic Clostridium species responsible for the ABE fermentation (Acetone-Butanol-Ethanol) are strongly inhibited by butanol, resulting in dilute processes with low energy efficiency and large stillage production. Possible solutions include fermentation technologies with integrated product recovery. Among these technologies, vacuum fermentation attracts attention due to its simplicity. However, previous studies have demonstrated that the energy cost to condensate the vapors generated during the boiling of the fermentation broth is prohibitive. To try to solve this problem of vacuum fermentation, we developed a condensation system based on ejectors operated with an organic solvent to generate the vacuum. The organic solvent is ethylene glycol, which is reused in the product purification step by distillation. Different configurations have been proposed for the process with ethylene glycol ejectors. Moreover, we developed other scenarios using steam ejectors and compressors. Studies were conducted using process simulation in Aspen Plus®, and the efficiency of the proposed process (vacuum fermentation/condensation/distillation) was assessed by energy (pinch analysis) and economic analyses. Replacing compressors with ejectors significantly reduces electricity consumption but increases the demand for other utilities. Of all the processes developed, the plant with only compressors had the lowest total cost (209.8 US$/ton butanol) followed by the plant with ethylene glycol steam ejectors (233.7 US$/ton butanol). Both cases were more economical than the conventional process without vacuum (235.3 US$/ton butanol). The advantage of the new processes is even greater for lower electricity costs and high investment costs. We conclude that ABE fermentation in a vacuum flash type with compressor and/or ethylene glycol ejector has the potential to have a total cost lower than the conventional process without vacuum if there are energetic integrations. In addition to the economic benefits, the plants developed were compact and cause less environmental impact with excessive fertigation of the stillage

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