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21|08|2009 - 11h01Simulação: uma aliada no desenvolvimento de tecnologias

Crédito: Marcos Ribolli.

Rubens Maciel em palestra proferida no Workshop do CTBE.

Especialista em simulação computacional de processos comenta sobre os benefícios desta técnica na área de etanol de cana.

Fonte: CTBE Notícias

O engenheiro químico e professor titular da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) Rubens Maciel Filho trabalha há alguns anos com modelagem computacional de processos ligados à biomassa vegetal. Convidado a participar do Workshop sobre a Biorrefinaria Virtual de Cana-de-açúcar do CTBE, Maciel conta sobre as vantagens e desafios de se construir modelos matemáticos que representem os processos existentes (ou possíveis) dentro de uma biorrefinaria que use a cana como matéria-prima.

De que forma a simulação computacional pode contribuir para o desenvolvimento de novas tecnologias no setor de biocombustíveis?
Através de modelos matemáticos você consegue representar, minimamente pelo menos, os principais fenômenos de determinado processo tecnológico. Por meio destes modelos formais é possível estudar cenários e identificar as rotas tecnológicas mais adequadas para se obter produtos com as características que você almeja. Depois que se tem definidas as rotas, dá para construir um projeto conceitual do processo como um todo e, através da simulação, você consegue ter uma idéia das dimensões necessárias para cada equipamento que vai compor o processo analisado. Feito isso, se retorna ao laboratório parar validar alguns dos dados do modelo, principalmente dados cinéticos de transferência de calor e massa, para que o modelo fique confiável e permita extrapolações de escala dos processos.

Pelo o que se tem visto no Workshop promovido pelo CTBE a biomassa possui processos complexos e difíceis de serem modelados. Você acredita ser possível criar modelos que expressem corretamente a realidade dessas tecnologias?
Acredito. Penso que a mesma dificuldade que se tem para simular os modelos que utilizam a biomassa como matéria-prima se teve no passado com a indústria do petróleo. Naquele caso foi necessário um forte investimento de tempo e pessoas pensando para se chegar a modelos confiáveis de processos baseados em petróleo. Se a gente fizer o mesmo esforço para modelar tecnologias que envolvam a biomassa vamos com certeza obter o mesmo sucesso que teve a indústria petroquímica.

Mas no caso do petróleo as variáveis não são menores ou em menor quantidade?
Não. Assim como a biomassa o petróleo também é um mistura complexa de vários componentes. Não existe um tipo único de petróleo. Algumas refinarias chegam a trabalhar com até 30 tipos diferentes de petróleo e mesmo assim é possível modelar muito bem vários processos. Processo estes que ajudam em uma fase inicial do projeto conceitual de avaliação de possíveis rotas tecnológicas e depois contribuem na parte de otimização de processos. Eu não enxergo nenhuma restrição quanto ao uso de ferramentas de simulação aplicáveis à biomassa. É difícil? É. É complicado e precisa de investimento, principalmente na obtenção dos dados que servirão de base aos modelos, como as informações cinéticas de transformação de calor e massa e de caracterização de material, como se fez na indústria do petróleo.

Quais atores podem se beneficiar de uma ferramenta como a Biorrefinaria Virtual de Cana-de-açúcar ou de outras formas de simulação aplicadas à conversão de biomassa em combustível?
A finalidade de você desenvolver esses processos de conversão é você ter a capacidade de ter produção de produtos à base da matéria-prima biomassa. Ou seja, estamos falando do desenvolvimento de processos. Desenvolver processos tem implicações em vários setores da economia, desde a geração de empregos até de fato você dominar a tecnologia que faça uso da sua matéria-prima. Se você não fizer isso alguém vai fazer. É interessante o Brasil valorizar a matéria-prima que se está produzindo, a cana-de-açúcar, acabaremos nos tornando exportador de cana-de-açúcar e importador de tecnologia.

Na palestra proferida aqui em Campinas você afirmou que a simulação computacional consegue de certa forma substituir a tentativa e erro na pesquisa científica e tecnológica. De que forma isso se dá?
Se você tiver um modelo e for capaz de valida-lo, ou seja, obter o conhecimento dos dados cinéticos de transferência de calor e massa você tem na mão uma grande ferramenta para te ajudar no scaling up e se você já tem a planta um ferramenta que te ajuda na otimização e de controle. A tentativa e erro fica por conta de você não conhecer os fenômenos e não ter os modelos, pois para construir o modelo você precisa conhecer bem os fenômenos, um conjunto de ferramentas matemáticas de otimização. Junto ao modelo matemático te permitem obter a melhor solução dentro de um conjunto ou região de soluções ótimas para serem aplicadas, ao invés de ficar tentando por meio de tentativa e erro em que você dificilmente chega aonde almeja.

Como se dá a criação e validação de modelos matemáticos na área de biocombustíveis?
A validação de modelos matemáticos se dá basicamente por duas maneiras. Um fenômeno que você consiga representar matematicamente precisa ter um comportamento que você espera que tenha, seja um tipo de curva de conversão, um tipo de evolução de temperatura e mais precisamente, você vai ter dados experimentais para que os modelos que você desenvolva depois de identificados. Identificar significa ajustar alguns parâmetros que levam os modelos a ter uma boa representatividade dos dados experimentais. Este modelo validado preserva te um bom potencial para extrapolar quantidades, capacidades de produção. Aí você tem uma ferramenta completa.

Que tipo de simulações já estão em operação na área de bioetanol e quais as vantagens obtidas com o uso destas ferramentas?
As plantas existentes hoje na parte de biocombustíveis, elas são as produtoras de etanol e um pouco de biodiesel. Então vamos focar no etanol que é o mais interessante para o CTBE. Elas podem ser destilarias isoladas, dedicadas somente à produção de etanol ou podem ser acopladas com a indústria de açúcar. Como são plantas existentes, tem-se uma maior facilidade para modelar e validar o processo. Pois basta modelar e comparar o teu modelo com o que tem. Aonde que você poderia melhorar para atingir o que acontece na realidade. O importante aí é a qualidade dos dados. Da usina, por exemplo, e se você tem todas as medidas necessárias. A partir deste modelo você pode estudar cenários que melhorem a produção, reduzem custos, que façam melhor uso da quantidade de açúcar fermentecíveis para se obter o etanol. Com isso você tem uma gama enorme de ferramentas que te permite avaliar se aquele processo pode ser melhorado, quanto pode ser melhorado, e você trabalhar com as condições de operação pra atingir o produto com as qualidades desejáveis com menor custo de produção.

Pelo o que você fala, parece ser uma tarefa fácil modelar uma usina de primeira geração. A tarefa do CTBE com a BVC vai além disso. Pretende-se simular tecnologias em desenvolvimento. Você acredita que é Possível atingir essa meta? O que é preciso ser feito para conseguirmos simular processo referentes à produção de etanol de segunda geração?
Em primeiro lugar não é fácil modelar a primeira geração. Nós temos mais informações, existem plantas trabalhando com esta tecnologia e a partir daí conseguimos validar os modelos. Os processos de álcool de segunda geração são efetivamente mais complexos, tanto que estão em caráter de estudo ainda. Temos a etapa de pré-tratamento, a etapa de hidrólise, a etapa da produção das enzimas para ocorrer a hidrólse, depois a etapa de fermentação das pentoses e hexoses. A mistura disso tudo deve ser separada antes de se jogar para a fermentação. Esse conjunto de etapas precisa ser desenvolvido tanto na parte experimental, com as várias rotas possíveis, quanto em modelos matemáticos que funcinam como um ferramenta de apoio. Eu posso minimizar o numero de experimentos através de modelos matemáticos. Eu posso dirigir um experiento, eu posso inclusive descriminar algumas rotas desde que eu tenha certas informações.

Você pode nos dar um exemplo disto?
De uma escala de bancada. Da planta Piloto eu consigo entender, se eu fizer um modelo cinético por exemplo, que tal rota é melhor do que a outra, ou que tais condições de temperatura, pressão e quantidade de ácido e ácido é mais adequada que outra. Se eu entender bem o processo eu consigo modelar e entender bem qual é a quantidade de ácido, qual é a temperatura e pressão em que eu devo trabalhar. Com isso se eu for fazer o scaling up, eu posso modelar um reator nas condições que eu necessitar. E como eu consigo fazer isso em um reator de quantidade maior? Essa passagem do reator para escala piloto já pode ser muito mais bme instruída do que ficar fazendo tentativa e erro.
Essa capacidade de escala laboratorial para piloto pode ser muito mais bem instruída por modelo matemático do que você ficar fazendo um monte deexperimento.

Qual é o principal desafio do programa da Biorrefinaria Virtual de Cana-de-açúcar coordenado pelo CTBE?
O principal desafio já foi inclusive superado. O principal desafio foi trazer as várias pessoas de institutos e universidades e fazer um projeto conceitual como o que foi feito. Dividir as etapas e saber esquematizar cada uma das etapas de trabalho maneira organizada para que esse conjunto se torne o início do desenvolvimento desta ferramenta. Então essa estratégia de organizar em várias subredes e organizar como está sendo organizado é um grande desafio que já foi de certa maneira superado trazendo estas pessoas aqui. O próximo desafio é exatamente definir bem as tarefas e estas devem ser desenvolvidas de modo coordenado.

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