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Planta de Etanol (Fermentação)

Neste tutorial você modelará um processo de fermentação de etanol em escala industrial na GUI Clássica do DWSIM: glicose é fermentada a etanol e CO2 por levedura, e em seguida os produtos são separados.

O que você vai aprender

  • Como modelar uma reação de fermentação com um Conversion Reactor
  • Como tratar a separação gás-líquido após a reação
  • Como verificar o rendimento da fermentação contra o máximo teórico

Pré-requisitos

Visão Geral do Processo

A levedura (Saccharomyces cerevisiae) converte glicose anaerobicamente:

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2

Rendimento estequiométrico de Gay-Lussac: 51,1% de etanol em massa. Fermentações reais atingem 90-95% desse valor.

Modelamos o biorreator como um Conversion Reactor com 95% de conversão e em seguida separamos o CO2 do mosto fermentado (etanol/água).

Diagrama de Fluxo do Processo

graph LR
    F["Fermenter Feed<br/>20% glucose<br/>305 K"] --> H["H-1<br/>Heater<br/>308 K"]
    H --> R["R-1<br/>Conv. Reactor<br/>95% conv"]
    R --> CL["CL-1<br/>Cooler<br/>290 K"]
    CL --> SEP["SEP-1<br/>Separator"]
    SEP -->|Gas| CO2["CO2 Vent"]
    SEP -->|Liquid| BR["Beer<br/>(EtOH + H2O)"]

Parâmetros de Projeto

Parâmetro Valor
Compostos Water, Glucose, Ethanol, Carbon dioxide
Pacote Termodinâmico NRTL
Alimentação 1 kg/s, 305 K, 20% glicose / 80% água (massa)
T do reator 308 K (35 °C), isotérmico
Conversão de glicose 95%
Saída do resfriador 290 K

Passo a Passo na GUI Clássica

1. Configuração

File > New Chemical Process Model:

  • Compostos: Water, Glucose, Ethanol, Carbon dioxide
  • Pacote Termodinâmico: NRTL

Por que NRTL para fermentação?

A mistura água-etanol é fortemente não ideal na fase líquida, com ligações de hidrogênio e um azeótropo a 95,6% em massa de etanol. Modelos de coeficiente de atividade como NRTL tratam isso corretamente; EOS cúbicas como PR ou SRK falham em prever o azeótropo.

Glucose no banco de dados

A base de dados do DWSIM inclui Glucose. Se sua base não tiver, use File > New Compound Creator Study para criá-la a partir da estrutura molecular ou importar do ChemSep.

2. Definir a reação de fermentação

Edit > Simulation Settings > Reactions → adicionar nova reação Conversion:

  • Nome: Fermentation
  • Estequiometria: Glucose = -1, Ethanol = +2, Carbon dioxide = +2
  • Composto base: Glucose
  • Conversão: 95 %

Crie um Reaction Set FermSet contendo essa reação.

Por que um Conversion Reactor (e não Equilibrium)?

A cinética da fermentação é lenta e nunca atinge o equilíbrio; a conversão é determinada por viabilidade da levedura, tempo de residência e concentrações de inibidores, todos parâmetros empíricos, não termodinâmicos. Você especifica a conversão (95%) medida experimentalmente em vez de deixar Keq decidir.

3. Construir o flowsheet

Arraste e configure:

  1. Material Stream Feed: T=305 K, P=1 atm, vazão mássica=1 kg/s, frações mássicas: Water=0,80, Glucose=0,20
  2. Heater H-1 (T de saída=308 K)
  3. Material Stream Heated (vazia)
  4. Conversion Reactor R-1: modo Isothermal, Reaction Set = FermSet, ΔP=0
  5. Material Stream Reactor-Out (vazia)
  6. Cooler CL-1 (T de saída=290 K)
  7. Material Stream Cooled (vazia)
  8. Separator Vessel SEP-1
  9. Material Stream CO2-Vent (vazia)
  10. Material Stream Beer (vazia)

Conecte adequadamente (Heater → Reactor → Cooler → Separator), com correntes de energia em H-1, R-1 e CL-1.

4. Resolver

F6 LIGADO → Solve.

5. Inspecionar o rendimento

Abra a aba Results da corrente Beer:

  • Vazão mássica: ~0,7-0,8 kg/s
  • Fração mássica de etanol: ~0,10 (mosto a 10%, valor industrial típico)

Abra os Results de CO2-Vent: vazão mássica ~0,1 kg/s, predominantemente CO2 puro.

Use Flowsheet Analysis > Mass and Energy Balance Summary para verificar:

  • Glicose na alimentação = 0,2 kg/s
  • Etanol no mosto ≈ 0,097 kg/s (95% × 51,1% × 0,2 = 0,097 kg/s)
  • Rendimento = 48,5% (corresponde a Gay-Lussac × 95% de conversão)

Rendimento da fermentação no resumo de balanços

Resultados e Validação

Variável Esperado
Fração mássica de etanol no mosto 0,08 - 0,12
Vazão de CO2 no vent ~85% do CO2 teórico
Conversão de glicose 95% (especificada)
Rendimento (EtOH/glicose) ~48-49 g/g × 100

Resultados esperados

Mosto com 9-10% de etanol em massa (fermentações industriais típicas produzem 10-15% ABV antes da destilação). O CO2 se separa quase completamente como gás. Rendimento mássico ~ 49% (95% × 51,1%).

Entendendo os Resultados

Estequiometria de Gay-Lussac: 1 mol de glicose (180 g) → 2 mol de etanol (92 g) + 2 mol de CO2 (88 g). Rendimento máximo de 51,1% em massa.

Na prática, o mosto deve ser destilado para concentrar o etanol acima do azeótropo (ou usar peneiras moleculares) para aplicações como combustível.

Automatizando Este Tutorial

Arquivos neste repositório

Veja examples/advanced/05_ethanol_plant.py no repositório DWSIM.Tutorials.

dwsim.reaction.define_conversion, em seguida dwsim.unitop.add para Heater, ConversionReactor, Cooler e Separator.

O resultado pode variar

O resultado depende da capacidade de raciocínio e do uso correto de ferramentas pelo LLM. Sempre verifique se a simulação corresponde à sua intenção antes de confiar nos números.

Use o DWSIM (via servidor MCP) para construir a seguinte simulação:

- Crie um flowsheet chamado "EthanolPlant"
- Adicione Water, Glucose, Ethanol e Carbon dioxide como compostos;
  configure o pacote termodinâmico como "NRTL"
- Defina uma reação de conversão "Fermentation" com estequiometria
  Glucose = -1, Ethanol = +2, Carbon dioxide = +2; composto base
  = Glucose, conversão = 95%; adicione-a a um novo conjunto de
  reações "FermSet"
- Adicione uma corrente material "Feed" a 305 K e 1 atm com vazão
  mássica = 1 kg/s e frações mássicas Water = 0,80, Glucose = 0,20
- Adicione um Heater "H-1" com T de saída = 308 K
- Adicione um Conversion Reactor "R-1" em modo isotérmico usando o
  conjunto de reações FermSet, ΔP = 0
- Adicione um Cooler "CL-1" com T de saída = 290 K
- Adicione um Separator Vessel "SEP-1" com saída de vapor "CO2-Vent"
  e saída líquida "Beer"
- Conecte: Feed → H-1 → R-1 → CL-1 → SEP-1
- Resolva o flowsheet
- Reporte a vazão mássica e a fração mássica de etanol da corrente
  Beer, a vazão mássica de CO2-Vent e o rendimento mássico global
  (kg de etanol por kg de glicose alimentada)

Exercícios

  1. Reduza a conversão para 80%. Qual a concentração de etanol no mosto?
  2. Aumente a alimentação de glicose para 30% em massa. (A levedura real tem limites de toxicidade ao etanol, mas o modelo não.)
  3. Adicione uma Distillation Column após o separador para concentrar o mosto até 80% de etanol.

Leitura Complementar

Referências selecionadas da bibliografia técnica do DWSIM. Clique no link DOI para acessar cada artigo.

  • Jacques Monod. (1942). Recherches sur la Croissance des Cultures Bactériennes. Hermann et Cie
  • John F. Andrews. (1968). A Mathematical Model for the Continuous Culture of Microorganisms Utilizing Inhibitory Substrates. Biotechnology and Bioengineering. doi:10.1002/bit.260100602
  • Pauline M. Doran. (2013). Bioprocess Engineering Principles. Academic Press
  • James E. Bailey & David F. Ollis. (1986). Biochemical Engineering Fundamentals. McGraw-Hill
  • H. Renon & J. M. Prausnitz. (1968). Local Compositions in Thermodynamic Excess Functions for Liquid Mixtures. AICHE Journal

Próximos Passos

Em Osmose Reversa, você modelará dessalinização por membrana.