Fatores operacionais e cinética do processo fermentativo para otimização da produção de etanol em escala industrial

Abstract

Este trabalho, realizado em escala plena de uma planta industrial de fermentação, com biorreatores operados em batelada alimentada, teve como objetivo verificar como os fatores operacionais tempo de alimentação, temperatura e concentração de levedo influenciam a velocidade de conversão dos açúcares em etanol. Comparou-se também rendimento e produtividade dos ensaios realizados, além de verificar a interação entre a produção de etanol e glicerol na cinética fermentativa e como esses fatores podem ser otimizados de forma a aumentar a produção de etanol com redução de perdas de carbono na formação de outros produtos. E por fim, buscou-se um modelo cinético que se ajustasse satisfatoriamente aos dados experimentais obtidos. Para os ensaios utilizou-se o levedo que estava no processo industrial e o mosto do processo, proveniente de uma mistura de caldo e mel residual da produção de açúcar. O delineamento experimental seguiu um planejamento fatorial 2³, totalizando oito ensaios, mais três repetições do ponto central. Os parâmetros avaliados foram: concentração de substratos, etanol, glicerol e células. Para avaliação cinética utilizou-se um modelo do tipo não estruturado considerando apenas uma fonte de substrato (ART) e um modelo considerando duas fontes de substratos (glicose e frutose). Os resultados obtidos indicaram que a produção de glicerol está relacionada linearmente com a produção de etanol e essas duas rotas estão vinculadas à regeneração de NAD pela levedura e que essa correlação sofre interferência de condições de processo. O tempo de alimentação teve efeito significativo e foi inversamente proporcional à relação de produção entre glicerol e etanol. Os dois modelos cinéticos utilizados foram bem flexíveis, ajustando-se bem aos pontos experimentais e o modelo para dois substratos apresentou menores desvios entre os dados e as curvas...

The present work, which was carried out in a full scale plant for industrial fermentation with bioreactors operated as fed-batch, had the objective to verify how the operational factors such as feeding time, temperature and yeast concentration may influence the sugar conversion velocity into ethanol. Also compared the yield and productivity of the essays, the interaction of between ethanol and glycerol in the fermentative kinetics and hoe these factors could be optimized in order to increase the ethanol production with low losses of carbon as by other products. Additionally, a kinetic model that best fitted in the obtained data was proposed. For the essays it was used an east already in used at the industrial process and its must, which came from an mixture of juice and residual molasse from sugar process phase. The experimental design followed and factorial planning 2³ resulting in eight essays plus three repetition of the central point. The studied parameters were: substrate concentrations, ethanol, glycerol and cells. A non structured model was used for kinetic evaluation considering just one substrate source (ART) and another one considering two substrate sources (glucose and fructose). The results indicated that the glycerol production was linearly related to the ethanol production and these two routes are linked to the regeneration of NAD by yeast and this relation may be influenced by process conditions. The feeding time had significant effect and conversely proportional to the glycerol and ethanol production relation. The two kinetic models used were very flexible, adjusting well to the experimental points and the model for two substrates smallest deviations between the data and the curves adjustment, emphasizing the consumption differential between glucose and fructose