Reatores de pré-tratamento com ácido diluído

Além das condições operacionais acima discutidas, o tipo de reator e seu modo de operação também apresentam grande influência sobre a estrutura física da biomassa tratada e, consequentemente, sobre a sua digestibilidade enzimática. Wang et al. analisaram o efeito de pré-tratamentos de mesma severidade (160 °C, 5 min e

H2SO4 2,0% p/p) em três reatores: reator batelada do tipo autoclave, reator batelada

de explosão a vapor e reator contínuo de parafuso. Os autores observaram diferenças significativas entre o tamanho de partícula e o grau de delaminação e fibrilação da biomassa nos três pré-tratamentos e atribuíram esse resultado ao modo de descompressão do reator ao final do pré-tratamento. A liberação da pressão de forma explosiva (que ocorre no reator de explosão a vapor e no reator de parafuso) adiciona um componente mecânico à severidade da reação, proporcionando redução do tamanho de partícula, aumento da área superficial e desestruturação (delaminação e fibrilação) da parede celular da biomassa. Além disso, o reator de parafuso promove o cisalhamento mecânico da biomassa, aumentando ainda mais a digestibilidade da biomassa tratada (WANG et al., 2014).

A maioria dos processos comerciais de etanol lignocelulósico são baseados em sistemas de pré-tratamento de reatores contínuos. Isso se verifica não apenas para o pré-tratamento com ácido diluído, mas também para pré-tratamentos de explosão à vapor e de explosão de fibra com amônia (AFEX) (ELANDER, 2013). Dois estudos realizados pela companhia de engenharia Harris Group para o NREL (Laboratório Nacional de Energia Renovável dos Estados Unidos) avaliaram o design e o custo de

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reatores de pré-tratamento ácido em modo de operação batelada e contínuo, concluindo que os sistemas contínuos são mais vantajosos tanto do ponto de vista operacional quanto econômico. O reator batelada precisaria ter tamanho pequeno para viabilizar o controle de um tempo de residência curto no pré-tratamento. Assim, para atingir uma capacidade de processamento alta (2000 t/d), seriam necessários 16 reatores batelada, contra 10 reatores contínuos (HARRIS GROUP INC., 2001a, b). Além disso, o estudo concluiu que os reatores batelada apresentam maior complexidade operacional, requerem mais mão-de-obra, têm mais demanda de vapor devido ao resfriamento entre os ciclos e também sofrem mais fadiga devido à grande quantidade de ciclos de aquecimento e resfriamento realizados (120 ciclos por dia), apresentando, portanto, tempo de vida reduzido (HARRIS GROUP INC., 2001a).

O sistema de pré-tratamento contínuo desenvolvido pelo NREL inclui um vaso vertical para impregnação da biomassa com vapor e ácido e um reator de pré- tratamento de parafuso horizontal (HUMBIRD et al., 2011). Antes de entrar no reator contínuo, a biomassa é impregnada com vapor e ácido para garantir sua boa distribuição entre as partículas de biomassa e dentro de partículas individuais, evitando a geração de gradientes de concentração dentro do reator. Isso é particularmente importante porque o processo de pré-tratamento no reator tubular emprega elevada carga de sólidos (de modo que a transferência de massa é dificultada pela ausência de uma fase líquida livre) e porque o tempo de residência no reator é muito curto para proporcionar uma distribuição eficiente do ácido pela biomassa (ELANDER, 2013).

A etapa de impregnação é geralmente realizada a 80-100 °C em um tanque vertical ou horizontal dotado de impelidores de pás, que proporcionam a mistura da biomassa com o vapor e o ácido. O processo pode ocorrer com alto teor de sólidos (30%), através da introdução da solução ácida por bicos de spray, ou com baixo teor de sólidos (5% a 10%), através da imersão da biomassa na solução ácida, seguida da drenagem do líquido excedente (ELANDER, 2013; HARRIS GROUP INC., 2001b; HUMBIRD et al., 2011).

Em seguida, a biomassa impregnada é alimentada ao reator de pré-tratamento tipicamente por meio de alimentadores de parafuso ou pistão, que promovem a compressão da biomassa (ELANDER, 2013; HARRIS GROUP INC., 2001b; SHEKIRO et al., 2014). O ácido é adicionado ao reator a uma taxa proporcional à

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vazão mássica de biomassa, e vapor de alta pressão é injetado para aquecer a carga até o ponto de bolha (HUMBIRD et al., 2011). Os sistemas de injeção e distribuição de vapor no reator de pré-tratamento devem ser projetados de maneira a minimizar os gradientes de temperatura e a condensação de vapor, que pode diluir o ácido de forma irregular e criar gradientes de concentração. Dessa forma, ao avaliar a severidade do tratamento, pode-se pressupor com maior confiabilidade que todas as partículas de biomassa experimentam o mesmo tempo de residência, temperatura e concentração de ácido dentro do reator (ELANDER, 2013).

O tempo de residência do pré-tratamento é determinado principalmente pela velocidade de movimentação da biomassa dentro do reator. Como este é um parâmetro chave da severidade e da eficácia do pré-tratamento, um bom controle do tempo de residência é muito importante. Esse controle é bastante influenciado pela configuração do reator, que pode ser vertical ou horizontal. Os reatores verticais são tipicamente mais simples e têm menor custo, mas possuem um controle de tempo de residência menos rígido em comparação aos reatores horizontais (ELANDER, 2013). Contudo, mesmo em reatores horizontais, o tempo teórico (baseado na velocidade do parafuso do reator) pode apresentar um erro considerável em relação ao tempo real, pois desconsidera a mistura reversa dos sólidos e assume um fluxo ideal. Sievers e Stickel (2018) verificaram que o tempo de residência real pode ser 40% ou até 120% maior que o tempo teórico em reator horizontal de 500 kg/d (SIEVERS; STICKEL, 2018).

Ao final do pré-tratamento, um sistema de descarga transfere contínua, ou quase continuamente, a biomassa pré-tratada do reator para um tanque receptor de baixa pressão ou pressão atmosférica, porém mantendo a temperatura e pressão constantes dentro do reator. Um dos sistemas de descarga mais simples é uma única válvula de esfera automatizada, que geralmente é chamada de válvula de descarga. A descarga através da válvula pode proporcionar um cisalhamento explosivo da biomassa pré-tratada, o que vai aumentar sua área superficial e digestibilidade enzimática. Como tal, esse tipo de sistema é frequentemente usado em reatores de pré-tratamento contínuos de explosão de vapor (ELANDER, 2013).

Por fim, o tanque receptor de biomassa pré-tratada permite a remoção de vapores da lama pré-tratada, uma vez que ela sofre rápida despressurização e resfriamento ao sair da válvula de descarga. Os vapores podem ser condensados e

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podem conter, além de vapor de água, algumas espécies químicas voláteis, como o furfural e ácido acético (ELANDER, 2013).

A etapa de pré-tratamento é complexa e representa um dos maiores custos nos processos de produção de etanol a partir de biomassas lignocelulósicas (MOSIER et al., 2005). Um esquema dos equipamentos é mostrado na Figura 9. O sistema é construído em aço-carbono e revestido com liga de níquel Incoloy 825 em todas as partes que têm contato com ácido (reator, transportador pressurizado e alimentador de parafuso).

Figura 9. Design de sistema de pré-tratamento com reator horizontal (HUMBIRD et al., 2011).