Modelagem teórica e experimental de um reator de cavitação hidrodinâmica com tubo de Venturi para pré-tratamento de bagaço de cana-de-açúcar

Abstract

A agroindústria nacional brasileira dispõe de uma grande variedade de unidades agrícolas que geram elevada quantidade de resíduos como o bagaço de cana-de-açúcar. Mesmo diante da crescente utilização desse material, o excedente ainda é da ordem de milhões de toneladas, causando problemas de estocagem e poluição ambiental. Devido a sua estrutura complexa e sua recalcitrância, a etapa de pré-tratamento representa o desafio mais crítico para a viabilização da utilização do bagaço de cana-de-açúcar dentro do contexto de uma biorrefinaria. O pré-tratamento busca facilitar o acesso aos componentes estruturais da biomassa, permitindo sua utilização na cadeia produtiva. Existem diferentes métodos de pré-tratamento como os físicos, químicos e biológicos ou uma combinação de todos esses, de modo que a geração de resíduos ambientalmente perigosos e/ou altos insumos energéticos é o gargalo. Neste sentido, rotas tecnológicas alternativas vem sendo estudadas e a cavitação hidrodinâmica desponta-se como uma promissora rota para o pré-tratamento de biomassa liberando grandes magnitudes de energia e induzindo a transformações físicas e químicas, favorecendo o rompimento da matriz carboidrato-lignina. Neste contexto, este trabalho empregou a cavitação hidrodinâmica para potencializar o pré-tratamento alcalino do bagaço de cana-de-açúcar. Para isto, projetou-se um reator de cavitação hidrodinâmica com tubo de Venturi utilizando como base uma abordagem computacional para a dinâmica dos fluidos. A modelagem matemática do escoamento turbulento com a ocorrência de cavitação foi resolvida utilizando o código comercial CFD Ansys Fluent (v18.1) pacote acadêmico, de modo a avaliar a influência da razão de pressão, do comprimento e diâmetro da garganta e o início, crescimento e colapso das cavidades de vapor. A partir dos resultados numéricos o reator de cavitação equipado com tubo de Venturi em acrílico foi construído com diâmetro de garganta de 1,5mm e comprimento de garganta de 5,0 mm. O sistema utilizou bomba de duplo diafragma regulada para vazão de 6,10.10-5 m3/s, com pressão de saída de 300kPa. O pré-tratamento alcalino assistido por cavitação hidrodinâmica foi realizado nas seguintes condições: concentração de NaOH (1-5% m/v), razão sólido-líquido (1-5% m/v) e tempo de reação (20-60 min) para a remoção de lignina. A metodologia de superfície de resposta permitiu determinar as condições ótimas do pré-tratamento para a máxima remoção de lignina que foi de 4,95% de NaOH, relação sólido-líquido 1,14% durante 55,96 min, o que resultou em uma remoção máxima de 56,01% de lignina. Por meio da análise morfológica, pode-se verificar as alterações nas fibras do bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado com sulcos mais porosos, indicando a efetividade e potência do pré-tratamento. A energia dissipada por quilograma de bagaço foi determinada em 4,14 MJ e a energia dissipada por volume de líquido, na zona de recuperação de pressão foi determinada em 32,5.102 kW/m3. Estes resultados demonstram que a cavitação hidrodinâmica pode ser uma ferramenta de pré-tratamento eficiente, fácil, rentável e promissora.

The Brazilian national agroindustry has a large variety of agricultural units that generate high amounts of waste such as sugarcane bagasse. Even with the increasing use of this material, the surplus is still in the order of millions of tons, causing problems of stocking and environmental pollution. Due to its complex structure and recalcitrance, the pretreatment stage represents the most critical challenge for the feasibility of using sugarcane bagasse within the context of biorefinery. Pretreatment seeks to facilitate access to the structural components of biomass, allowing its use in the production chain. There are different pretreatment methods such as physical, chemical, physicochemical and biological or a combination of all of these, so that the generation of environmentally hazardous waste and / or high energy inputs is the bottleneck. In this sense, alternative technological routes have been studied and hydrodynamic cavitation emerges as a promising route for biomass pretreatment releasing large energy magnitudes and inducing physical and chemical transformations, favoring the rupture of the carbohydrate-lignin matrix. In this context, this thesis employed hydrodynamic cavitation as a physical means to improve the alkaline pre-treatment of sugarcane bagasse. The hydrodynamic cavitation reactor with Venturi tube was modeled by a computational approach to fluid dynamics, in order to evaluate the influence of the pressure ratio, the length and diameter of the throat and the beginning, growth and collapse of the vapor cavities. The continuous flow cavitation reactor equipped with acrylic venturi was constructed with a diameter and throat length of 1.5 mm and 5.0 mm, respectively. The system used a double diaphragm pump regulated for a flow rate of 6.10.10-5 m3 / s, with an outlet pressure of 3 bar. The alkaline pre-treatment by hydrodynamic cavitation was performed to evaluate the influence of NaOH concentration (1-5%), solid-liquid ratio (1-5%) and reaction time (20-60 min) in the removal of lignin. Response surface methodology allowed us to determine optimal pretreatment conditions for maximum lignin removal. The optimum condition was 4.95% NaOH, 1.14% solid-liquid ratio for 55.96 min, which resulted in a maximum removal of 56.01% lignin. Through the morphological analysis, it is possible to verify the alterations in the fibers of the pretreated sugarcane bagasse with more porous grooves, indicating the effectiveness and potency of the pre-treatment. The energy dissipated by biomass was determined at 4,14 MJ/kg of bagasse and the energy dissipated by volume of liquid in the pressure recovery zone was determined at 32,5.102 kW/m3.These results demonstrate that hydrodynamic cavitation can be an efficient, easy, cost effective and promising pretreatment tool.