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Tipo: Dissertação
Título: Modelagem, simulação e otimização de um reator descontínuo heterogêneo para síntese enzimática de butanoato de etila catalisada por Novozym 435
Autor(es): Lopes, Marcos Vinícius Aquino
Orientador: Gonçalves, Luciana Rocha Barros
Coorientador: França, Ítalo Waldimiro Lima de
Palavras-chave em português: Esterificação;Enzimas;Difusão;Simulação numérica;Reatores químicos
Palavras-chave em inglês: Esterification;Enzymes;Diffusion;Numerical simulation;Chemical reactors
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Data do documento: 2026
Citação: LOPES, Marcos Vinícius Aquino. Modelagem, simulação e otimização de um reator descontínuo heterogêneo para síntese enzimática de butanoato de etila catalisada por Novozym 435. 2025. 158 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: O butanoato de etila é um aroma relevante nas indústrias química, farmacêutica, de alimentos e cosméticos. Sua produção por esterificação enzimática com biocatalisadores heterogêneos, como a Novozym 435, é uma alternativa promissora para melhoria do rendimento e redução do impacto ambiental de processos industriais, mas ainda possui limitações devido ao custo dos biocatalisadores e a restrições difusionais na velocidade de reação. Assim, buscou-se projetar um reator descontínuo heterogêneo através de modelagem, simulação e otimização da síntese de butanoato de etila por Novozym 435, tendo enfoque no aumento de escala do processo. Logo, diferentes modelos matemáticos foram propostos para o reator, analisando a relevância de restrições difusionais internas e externas, tendo os parâmetros cinéticos e as propriedades físicas do sistema reacional sido obtidos na literatura e através de correlações empíricas. O modelo de reator com melhor capacidade preditiva, escolhido a partir de ensaio de validação experimental, foi empregado em análise de sensibilidade para definir variáveis de processo e métricas de avaliação da performance e sustentabilidade do processo para a otimização multiobjetivo de sua operação, realizada para as configurações em batelada e batelada alimentada por ácido butírico e etanol, via análise da frente de Pareto. Para o aumento de escala, utilizou- se o critério de potência por volume constante. Além disso, os custos com insumos e o retorno financeiro da operação em escala piloto foram estimados. Desse modo, o modelo considerando limitações difusionais internas obteve erro percentual de 10,97% na estimativa do perfil de conversão da reação. Através de simulações do mesmo, observou- se que as variáveis concentração inicial de substratos e massa de biocatalisador foram mais relevantes para obtenção de altos valores de produtividade. Na otimização dos reatores, a operação em batelada se destacou, alcançando produtividade de éster de 1,13 g/h, do biocatalisador de 44,41 kg p /kg c .h e concentração de produto igual a 1,95 M utilizando 2,49 M de ácido butírico, 2,24 M de etanol e 1,16% de biocatalisador. No aumento de escala, a razão da potência por volume manteve-se igual a 173,70 W/m³, atingindo produtividade de éster de 9,26 kg/h em volume de 82 L. A análise de custos prévia reiterou a importância de se manter a estabilidade do biocatalisador por diversos ciclos operacionais, com foco na viabilidade do processo. Portanto, através da simulação e otimização da síntese enzimática de butanoato de etila por Novozym 435, foi possível levantar dados relevantes para o projeto de um reator descontínuo heterogêneo, apresentando rendimento de produção superior em comparação com a literatura, além de geração inferior de resíduos.
Abstract: Ethyl butanoate is a relevant aroma compound in the chemical, pharmaceutical, food, and cosmetics industries. Its production via enzymatic esterification with heterogeneous biocatalysts, such as Novozym 435, is a promising alternative to improve yield and reduce the environmental impact of industrial processes. However, it still presents limitations due to the cost of biocatalysts and diffusional restrictions affecting the reaction rate. Thus, this study aimed to design a heterogeneous batch reactor through modeling, simulation, and optimization of ethyl butanoate synthesis using Novozym 435, focusing on process scale-up. Different mathematical models were proposed for the reactor, analyzing the relevance of internal and external diffusional limitations. The kinetic parameters and physical properties of the reaction system were obtained from the literature and empirical correlations. The reactor model with the best predictive capability, selected through an experimental validation test, was used in a sensitivity analysis to define process variables and performance and sustainability metrics. This served as the basis for the multi-objective optimization of the reactor operation, conducted for both batch and fed-batch configurations using butyric acid and ethanol, via Pareto front analysis. For scale-up, a constant power-to-volume ratio criterion was applied. Additionally, the costs of raw materials and the financial return of pilot-scale operation were estimated. The model considering internal diffusional limitations achieved a percentage error of 10.97% in estimating the reaction conversion profile. Simulations revealed that the initial substrate concentration and biocatalyst mass were the most relevant variables for achieving high productivity values. In the reactor optimization, the batch operation stood out, reaching an ester productivity of 1.13 g/h, a biocatalyst productivity of 44.41 kg p /kg c .h, and a product concentration of 1.95 M using 2.49 M butyric acid, 2.24 M ethanol, and 1.16% biocatalyst. During scale-up, the power-to- volume ratio remained at 173.70 W/m³, achieving an ester productivity of 9.26 kg/h in a volume of 82 L. The preliminary cost analysis reinforced the importance of maintaining biocatalyst stability over multiple operational cycles, focusing on process feasibility. Therefore, through simulation and optimization of the enzymatic synthesis of ethyl butanoate using Novozym 435, relevant data were obtained for designing a heterogeneous batch reactor, demonstrating higher production yields compared to the literature, as well as lower waste generation.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/86619
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0000-0002-1452-4572
Currículo Lattes do(s) Autor(es): https://lattes.cnpq.br/8056229954871060
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0003-0012-8971
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/2577657690021566
ORCID do Coorientador: https://orcid.org/0000-0002-7866-5462
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/3008840064214547
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DEQ - Dissertações defendidas na UFC

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