Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/17792
Tipo de Documento: Dissertação
Título: Estudo da dinâmica da fermentação em processo batelada e semicontínuo para produção de etanol
Autor(es): Silva, Carolina Leite da
Data do documento: 29-Ago-2016
Orientador: Pagano, Rogério Luz
Coorientador: Silva, Cristina Ferraz
Resumo: O etanol é uma fonte de energia renovável e é considerada uma das melhores alternativas diante das mudanças climáticas causadas, em parte, pelo uso de combustíveis fósseis. Os processos biotecnológicos são os principais responsáveis pela produção mundial de etanol. Neste trabalho a produção de etanol realizada pela levedura Saccharomyces cerevisiae em reator batelada e semicontínuo foi estudada com o objetivo de analisar a dinâmica deste processo fermentativo. Esse estudo foi realizado por meio da proposição de modelos matemáticos capazes de prever o comportamento das concentrações de biomassa, substrato e produto ao longo do tempo de fermentação, bem como estimar os parâmetros dos modelos propostos. O processo fermentativo foi realizado em biorreator isotérmico de volume útil igual a 1 L, a uma temperatura de 32 °C, sob agitação de 175 rpm e pH igual a 3,0. O tempo de fermentação foi de 15 h para o processo em batelada e 60 h para o processo semicontínuo. Para o estudo do reator batelada foram propostos cinco modelos, nos quais as variações com o tempo das concentrações de biomassa, substratos e produto foram baseadas nos balanços de massa para cada componente no reator. No primeiro modelo a cinética da fermentação foi baseada na cinética clássica proposta por Monod; no segundo foi baseada em uma cinética microbiana ponderada pela concentração máxima de microrganismo; o terceiro modelo foi proposto na tentativa de prever o comportamento de decaimento celular observado experimentalmente; no quarto modelo o crescimento microbiano foi ponderado pela concentração máxima de produto; e por fim, o quinto modelo levou em consideração parâmetros de consumo de substrato e formação de produto pelas leveduras. O modelo avaliado para prever o comportamento da fermentação semicontínua foi baseado nos balanços de massa propostos para este biorreator, juntamente com a equação cinética de Monod. Todos os modelos foram implementados em FORTRAN, resolvidos com a aplicação da sub-rotina DASSL e os parâmetros cinéticos de cada modelo foram estimados por meio do programa ESTIMA, onde a função-objetivo adotada foi a de mínimos quadrados. O menor valor encontrado para a função-objetivo foi o critério adotado para escolha do modelo que melhor se ajustou aos dados experimentais. No reator batelada o modelo clássico proposto com base na cinética de Monod foi o que apresentou melhor ajuste aos dados experimentais, o valor da função-objetivo foi igual 0,5291. Os valores estimados dos parâmetros deste modelo foram estatisticamente significativos e fisicamente realísticos e descreveram com boa precisão os dados experimentais: µmáx = 0,1155 h-1 ; K1 = 0,8984 h-1 ; K = 0,4738 h-1 ; YX/S = 0,0242; YX/P = 0,0451 e KS = 24,3852 g‧L -1 . Os parâmetros estimados para o biorreator semicontínuo também foram fisicamente realísticos e estatisticamente significativos e seus valores foram: μmáx = 0,1195 h-1 ; K1 = 0,3999 h-1 ; K = 0,2725 h-1 ; YX/S = 0,0102; YX/P = 0,0207 e KS = 121,6581 g‧L -1 ; o valor de função-objetivo foi igual a 7,475. Os resultados obtidos indicam que o biorreator semicontínuo pode ser utilizado na fermentação alcoólica, podendo operar durante tempos superiores aos relatados para o biorreator batelada operando nas mesmas condições, sem que se faça necessário o preparo de um novo inóculo. Os resultados também sugeriram a possível ocorrência de arraste de células viáveis durante o processo de descarga e recarga, que poderia ser evitado com o reciclo dessas células.
Abstract: Ethanol is a renewable energy source and it is considered one of the best alternatives to climate change caused, in part, by the use of fossil fuels. Biotechnological processes are primarily responsible for the worldwide production of ethanol. In this work the ethanol production by Saccharomyces cerevisiae yeast in a batch and semi-continuous reactor was studied with the objective of analyzing the dynamics of this fermentation process. This study was carried out though de proposition of mathematical models capable of predicting the behavior of the biomass, substrate and product concentration along the fermentation time, as well as estimating the parameters of the proposed models. The fermentation process was carried out in an isothermal bioreactor with a working volume equal to 1 L, at a temperature of 32 °C, under agitation of 175 rpm and pH equal to 3.0. The fermentation time was equal to 15 h for the batch process and 60 h for the semi-continuous process. For the study of the batch reactor, five models were proposed, in which the variations with time of the biomass, substrates and product concentrations were based on the mass balance for each component in the reactor. In the first model the fermentation kinetic was based on the classical kinetic proposed by Monod; in the second it was based on microbial kinetic weighted by the maximum concentration of microorganism; the third model was proposed in an attempt to predict the behavior of cell decay observed experimentally; in the fourth model the microbial growth was weighted by the maximum concentration of product; and finally, the fifth model took into account parameters of substrate consumption and formation of product by the yeasts. The model evaluated to predict the behavior of the semi-continuous fermentation was based on the proposed mass balance for this bioreactor, along with the Monod kinetic equation. All the models were implemented in FORTRAN, solved with the application of the DASSL subroutine and the kinetic parameters of each model were estimated through the ESTIMA program, where the objective function was least squares. The lowest value found for the objective function was the criterion adopted to choose the model that best fit the experimental data. In the batch reactor the classic model proposed based on the Monod kinetics was the one that presented the best fit to the experimental data and the value of the objective function was 0.5291. The estimated values of the parameters of this model were statistically significant and physically realistic and accurately described the experimental data: µmáx = 0.1155 h-1 ; K1 = 0.8984 h-1 ; K = 0.4738 h-1 ; YX/S = 0.0242; YX/P = 0.0451 e KS = 24.3852 g‧L -1 . The estimated parameters for the semicontinuous bioreactor were also physically realistic and statistically significant and their values were: μmáx = 0.1195 h-1 ; K1 = 0.3999 h-1 ; K = 0.2725 h-1 ; YX/S = 0.0102; YX/P = 0.0207 e KS = 121.6581 g‧L -1 ; the objective function value was equal to 7.475. The results indicate that the semi-continuous bioreactor can be used in alcoholic fermentation, and it can operate for longer times than those reported for the batch bioreactor operating under the same conditions, without the need to prepare a new inoculum. The results also suggested the possible occurrence of cell wash out during the discharge and recharge process, which could be avoided by recycling these cells.
Palavras-chave: Engenharia química
Álcool
Cinética química
Estimativa de parâmetros
Fermentação
Saccharomyces cerevisiae
Etanol
Modelo cinético
Estimação de parâmetros
Ethanol
Kinect model
Parameter estimation
área CNPQ: ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
Sigla da Instituição: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Programa de Pós-graduação: Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação: SILVA, Carolina Leite da. Estudo da dinâmica da fermentação em processo batelada e semicontínuo para produção de etanol. 2016. 87 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2016.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/17792
Aparece nas coleções:Mestrado em Engenharia Química

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
CAROLINE_LEITE_SILVA.pdf3,97 MBAdobe PDFThumbnail
Visualizar/Abrir


Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.