'Scale-up' populacional de fermentação alcoólica de mel invertido em sistema de batelada alimentada

Abstract

RESUMO: O Brasil é o segundo maior produtor mundial de etanol, que é produzido quase que totalmente a partir da cana-de-açúcar como matéria-prima. As negociações envolvendo o etanol movimentam bilhões de dólares, logo qualquer progresso científico-tecnológico em sua produção pode resultar em grande aumento de lucro. O objetivo desse trabalho é realizar um estudo sobre o processo de fermentação em batelada e batelada alimentada para a produção de etanol, utilizando mel rico invertido de usina sucroalcooleira como substrato e a levedura Saccharomyces cerevisiae como agente fermentativo. Buscou-se complementar o conhecimento presente na literatura, avaliando como as variáveis concentrações iniciais de ART (S0) e de células (X0) (scale-up populacional) e como o valor de ?? influenciam nas variáveis de resposta de interesse, com foco na velocidade geral de produção e no rendimento em etanol. Foram realizadas fermentações usando planejamento experimental do tipo DCCR avaliando S0, X0 e ??, nos quais se coletavam periodicamente amostras das quais se avaliavam as concentrações: de ART, com o método DNS; de glicose, com o método GOD-PAP; de etanol por cromatografia a gás; e celular por turbidimetria. Realizou-se modelagem nos dados experimentais utilizando um modelo fenomenólogico, onde aliou-se aos balanços de massa para as concentrações de glicose, frutose e etanol uma cinética proposta via mecanismo de reação utilizando modelos clássicos e incorporando efeitos de inibição dos substratos e produto. Obteve-se bom ajuste do modelo proposto aos dados experimentais. Quanto a velocidade geral de produção de etanol, esta diminuiu em relação à S0, o que pode indicar efeitos de inibição pelo substrato e pelo produto. Já em relação à X0, esta aumentou de forma linear para mesmos valores fixos de S0, sendo esse aumento percentualmente maior em altos S0 quando comparados a baixos S0. Assim sendo, operar com altos valores de S0 e X0 combinados apresenta-se promissor. Com relação a ??, observou-se em todos os S0 e X0 um comportamento superior do regime batelada alimentada com ?? ideal em relação ao batelada, com alimentações mais rápidas (menores ??) sendo melhores em baixos S0 e mais lentas em maiores S0. O rendimento em etanol apresentou-se maior sempre com menores valores de S0 e maiores valores de ??, não sofrendo influência de X0. O crescimento celular sempre se mostrou baixo, sendo ainda menor a altos valores de S0, altos valores de X0 e a baixos valores de ??

ABSTRACT: Brazil is the second largest ethanol producer in the world, which is produced almost entirely from sugarcane as a raw material. Negotiations involving etanol movement billions of dollars, so any scientific-technological progress in its production can result in a huge profit increase. The purpose of this work is to carry out a study on the batch and fed-batch fermentation process for etanol production, utilizing as substrate inverted sugarcane blackstrap molasses and utilizing yeast (Saccharomyces cerevisiae) as fermenting agent. It was intended to complement the knowledge present in the literature, evaluating how the variables initial concentrations of TRS (S0) and cells (X0) (populational scale-up) and how the value of ?? influence the response variables of interest, focusing on general production rate and the yield in etanol. Fermentations were carried out using RCCD experimental design evaluating S0, X0 e ??, in which samples were collected periodically, where were evaluated the concentrations: of TRS, by the DNS method; of glucose, by the GOD-PAP method; of etanol, by gas chromatography; and cell, by turbidimetry. Modelling was done on the experimental data using a phenomenological model, where it was allied a kinetic proposed by reaction mechanism using classic models and incorporating substrates and product inhibition effects with mass balances for the concentrations of glucose, fructose and etanol. It was obtained good fit of the proposed model to the experimental data. About the general rate of etanol production, it became lesser when compared to S0, what can indicate inhibition effects by the substrates and by the product. Relating with X0, this rate has increased linearly for the same constant values of S0, being this increasing percentually bigger on higher S0 when compared with lesser S0. Consequently, operating with high values of S0 e X0 simultaneously appears to be promising. How about ??, it was observed in all S0 e X0 a better behavior of the fed-batch fermentations with ideal ?? when compared to batch fermentations, with faster feeding (lesser ??) being better on low S0 and slower feeding being better on high S0. Ethanol yield showed bigger always with lower values of S0 and higher values of ??, not being influenced by X0. Cell growth ever showed itself being small, still being smaller at high values of S0, high values of X0 and low values of ??