Orientador: Rubens Maciel Filho

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: No presente trabalho, avaliou-se a pervaporação como processo extrativo na recuperação de etanol in-situ. Para realizar o estudo, projetou-se e montou uma unidade de pervaporação, onde foi acoplada uma membrana comercial de polidimetilsiloxano (PDMS). Após da avaliação do funcionamento do...

Resumo: No presente trabalho, avaliou-se a pervaporação como processo extrativo na recuperação de etanol in-situ. Para realizar o estudo, projetou-se e montou uma unidade de pervaporação, onde foi acoplada uma membrana comercial de polidimetilsiloxano (PDMS). Após da avaliação do funcionamento do equipamento e determinação das condições de operação, o estudo da recuperação de etanol foi realizado variando a concentração de etanol (1 – 9 %wt) e a temperatura da alimentação (30 – 50 °C). Nas condições estudadas, o fluxo do permeado variou entre 129 – 1565 g m-2 h-1, o fator de separação entre 2,3 - 6,4 e a concentração de etanol no permeado entre 3,02 - 34,52 %wt. A partir da análise dos dados experimentais obtidos, propuseram-se dois modelos matemáticos para a recuperação de etanol por pervaporação. O primeiro, considera-se a transferência de massa alimentação-permeado. No segundo, adiciona-se a geometria da membrana e consideram-se variações de temperatura e pressão no interior da membrana. Estes modelos foram acoplados ao modelo cinético da fermentação alcoólica em batelada descrito por Veloso et al. (2019) para representar o processo extrativo fermentação-pervaporação, o qual foi programado no ‘software’ Excel usando linguagem de programação em VBA. Finalmente, avaliou-se a pervaporação como ferramenta extrativa de bioetanol. Durante o estudo, a pervaporação foi ativada após uma hora de fermentação, usaram-se como variáveis do processo a temperatura da pervaporação e a área efetiva de membrana por volume de fermentação (????/????). Nas condições avaliadas, temperaturas moderadas (55 – 70 °C) e altos valores de ????/???? (7 - 20 m-1) foram necessários para manter a concentração de etanol em condições moderadas de inibição da fermentação pelo produto (inferior de 50 kgm?3). No entanto, considerando características de separação de membranas em desenvolvimento, reportadas na literatura, encontrou-se que é possível manter condições moderadas de inibição usando temperaturas de alimentação na faixa de 34 – 70 °C e ????/???? entre 2 – 5 m-1, mostrando o potencial da pervaporação como processo extrativo na produção de etanol

Abstract: In the present work, pervaporation was evaluated as an extractive process for in-situ ethanol recovery. To carry out the study, a pervaporation unit was designed and assembled, and a commercial polydimethylsiloxane membrane (PDMS) was attached. After evaluating the operation of the...

Abstract: In the present work, pervaporation was evaluated as an extractive process for in-situ ethanol recovery. To carry out the study, a pervaporation unit was designed and assembled, and a commercial polydimethylsiloxane membrane (PDMS) was attached. After evaluating the operation of the equipment and determining the operating conditions, the ethanol recovery was studied by varying the ethanol concentration (1 - 9 %wt) and the feed temperature (30 - 50 °C). Under the conditions studied, permeate flux varied between 129 - 1565 gm?2 h?1, the separation factor between 2,3 - 6,4 and the ethanol concentration of permeate between 3,02 - 34,52 %wt. From the analysis of the experimental data obtained, two mathematical models were proposed for the recovery of ethanol by pervaporation. In the first, the feed-permeate mass transfer is considered. In the second, the geometry of the membrane is added and temperature and pressure variations within the membrane are considered. These models were coupled to the kinetic model of alcoholic batch fermentation described by Veloso et al. (2019) to represent the fermentation-pervaporation extractive process, which was programmed in Excel software using VBA programming language. Finally, pervaporation was evaluated as a bio-ethanol extraction tool. During the study, pervaporation was activated after one hour of fermentation, as process variables the temperature of pervaporation and the ratio of effective membrane area per fermentation volume (????/???? ) were used. Under the evaluated conditions, moderate temperatures (55 - 70 °C) and high values of A/V (7 - 20 m-1) were necessary to maintain the ethanol concentration under moderate conditions of inhibition of fermentation by the product (less than 50 kgm-3). However, considering the separation characteristics of developing membranes, reported in the literature, it was found that it is possible to maintain moderate inhibition conditions by maintaining the feeding temperature between (34 - 70 °C) and ????/???? between (2 - 5 m-1), evidencing the potential of pervaporation as an extractive process for bioethanol

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