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

• Main Author: Bimestre, Thiago Averaldo [UNESP]
• Publication Date: 2020
• Format: Doctoral thesis
• Language: por
• Source: Repositório Institucional da UNESP
• Download full: http://hdl.handle.net/11449/192156
• topic: Cavitação hidrodinâmica; Pré-tratamento; Bagaço de cana-de-açúcar; Tubo de Venturi; CFD; Biomassa; Hydrodynamic cavitation; Pre-treatment; Sugarcane bagasse; Venturi tube

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.