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Sistema de controle do processo fermentativo para produção de etanol

Uma planta de fermentação alcoólica trabalhando em batelada alimentada, ao contrário do que se pensa, é mais sensível a perturbações significativas nas condições operacionais que os processos contínuos. Isto é devido a sua própria dinâmica que não permite atuação imediata em outras variáveis visando corrigir o problema. Como exemplo pode-se avaliar o efeito da variação da vazão de mosto sobre a relação entre massa de ART e massa celular alimentada às dornas. No processo contínuo, quando existe uma variação da vazão de mosto, uma malha de controle ajusta a vazão de fermento para manter esta relação constante ao longo do tempo.

Já para processos bateladas, quando ocorre a variação da vazão de mosto, o fermento já foi alimentado á dorna, não tendo mais como aumentar ou diminuir seu volume, o que causa variação de comportamento de uma dorna para outra devido à alteração da relação ART/Massa celular. Estas oscilações não são benéficas para as células de levedura presentes no processo e podem levar a perdas de rendimento e/ou produtividade. Estes efeitos são sentidos mais fortemente em plantas com volume de produção próxima de sua capacidade nominal.

Um sistema de controle eficiente deve evitar a ocorrência de oscilações no processo fermentativo e ainda reduzir ao máximo o tempo decorrido entre o final da fermentação e o início da centrifugação, geralmente chamado de tempo de descanso. É importante entender que a produção de etanol pela levedura é uma atividade metabólica da mesma ligada a rota de obtenção de energia, sendo assim, quando a mesma está em um meio com ausência de substrato esta não está descansando, mas sim com seu catabolismo paralisado e, portanto sem poder obter energia. Sendo assim, uma estratégia de controle adequada deve ser baseada na manutenção da vazão de mosto constante para que se possa manter a operação do processo fermentativo estabilizada, e possibilite a redução do tempo onde a levedura fique mergulhada no vinho fermentado na ausência de substrato.

Geralmente, as unidades industriais construídas recentemente apresentam todas as malhas de controle necessárias para garantir uma operação estabilizada, no entanto, carecem de uma integração adequada destas. Assim, estas unidades subutilizam equipamento de controle instalados.

Buscando resolver este problema, a Biocontal desenvolveu um simulador de processo bastante simples denominado SIMULADOR MGSB que permite definir a estratégia de operação da planta de acordo com as condições impostas a mesma e utilizar as malhas existentes, integrando-as através de um diagrama de ocupação que define o seqüenciamento das dornas e cubas.

Este simulador leva em consideração a forma de operação da planta e o volume de produção desejado e através de balanço de massa fornece os volumes de fermento tratado e mosto a serem adicionados ao fermentador. Além disto define o tempo de ciclo total e de cada fase deste, permitindo a execução seqüenciada dos procedimentos padronizados de cada etapa do ciclo, evitando tempo ocioso da levedura.

A Figura 1 mostra um exemplo de diagrama de ocupação clássico para uma estratégia de operação baseada em 6 dornas com 3 delas sendo alimentadas concomitantemente e 3 cubas de tratamento ácido.

Neste sistema de controle o ciclo das dornas é divido em: Carga de fermento (amarelo), alimentação das dornas (verde escuro), tempo de espera para finalização da fermentação (verde claro), centrifugação (azul) e limpeza da dorna (rosa). Já para as cubas, as etapas do ciclo de tratamento do fermento são: Enchimento (azul – Recebimento do creme concentrado), Tratamento (azul claro – adição de água e acidificação do meio), Transferência do fermento tratado para a dorna (amarelo) e limpeza (rosa).

Para um tempo de fermentação total de 8 horas (tempo de enchimento somado ao tempo de espera para finalização da fermentação), o tempo total de ciclo será de 12 horas. Este diagrama é definido como clássico devido à soma dos tempos de limpeza e carga de fermento ser igual ao tempo de centrifugação. Neste diagrama, o número de fermento é igual ao número de dornas de fermentação utilizada e cada fermento retorna sempre para a mesma dorna, facilitando seu acompanhamento.

O programa simulador ainda permite a construção de qualquer tipo de diagrama de ocupação partindo de um número mínimo de 4 dornas. É possível trabalhar com diagramas não clássicos, onde é possível reduzir o tempo de carga de fermento e limpeza das dornas para valores menores que o tempo de centrifugação, diminuindo o tempo total de ciclo, aumentando a capacidade de produção da planta. Em alguns casos, a utilização do diagrama não clássico reduz muito o tempo de tratamento do fermento, tornando necessário adotar a estratégia de operação com um fermento a mais que o número de dornas em operação. Apesar de não ser recomendado por aumentar o tempo que o fermento tratado fica parado, em alguns casos justifica-se por permitir atingir o tempo de tratamento ácido necessário.

O primeiro sistema de controle de fermentação integrado pelo diagrama simulador foi instalado há 8 anos na Usina Maracai, hoje pertencente ao grupo Raizen. Desde então, este sistema de controle vem sendo utilizado em muitas outras unidades, sendo que a primeira unidade a operar com todos os procedimentos padronizados foi a Usina Catanduva do Grupo VO. Além do programa simulador o sistema de controle é composto de aproximadamente 120 procedimentos operacionais padronizados, agrupados nas etapas de ciclo. Isto permite que em estado estacionário todas as operações envolvidas na condução do processo fermentativo sejam executadas da mesma forma, independente da ação do operador.

O desafio para implantação deste sistema está na estabilização da vazão e concentração de ART do mosto. Para unidades que trabalham com mosto a base de mel e água, isto se torna mais fácil, mas para plantas onde se trabalha com mosto a base de caldo e mel, é necessário que os processos de produção de álcool e açúcar passem a comandar a quantidade de cana moída, ou seja, dependendo da demanda destes processos, que a moagem aumente ou diminua de forma automática. Esta forma de operação permite ganhos significativos em eficiência de recuperação de ART, evitando sobrecarga de equipamentos e erros operacionais tão comuns nas unidades sucroalcooleiras.

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