Otimização de sistema de fermentação alcoolica continua utilizando reatores tipo torre e leveduras com caracteristicas floculantes

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Viegas, Marcelo Caldeira
Data de Publicação: 2003
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1595352
Resumo: Orientador: Silvio Roberto Andrietta
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spelling Otimização de sistema de fermentação alcoolica continua utilizando reatores tipo torre e leveduras com caracteristicas floculantesFermentaçãoLeveduras (Fungos) - Engenharia genéticaÁlcoolModelagem de dadosOrientador: Silvio Roberto AndriettaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuimicaResumo: Este trabalho tem por objetivo determinar o arranjo ótimo de um sistema de fermentação constituído de reatores tipo torre para produção de etanol utilizando leveduras com características floculantes. Buscou-se nesta otimização atingir alta produtividade mantendo o rendimento em etanol compatível aos níveis industriais, sem a necessidade de se utilizar unidade de separação de células (centrífuga), visando assim à redução do custo de produção do etanol em torno de 15%. Nos experimentos foi utilizada uma linhagem de levedura previamente selecionada isolada da unidade de fermentação industrial da Usina Junqueira (Igarapava/SP) durante a safra de 2000. Na otimização operacional do arranjo de reatores o substrato utilizado na alimentação do sistema foi um meio sintético concentrado a base de sacarose, diluído em linha para as concentrações definidas para cada ensaio realizado. Foram testados três arranjos constituídos cada um por três reatores, sendo eles: (a) Arranjo 1Constituído de um sistema composto por três reatores ligados em série, onde vinho fermentado proveniente do primeiro reator alimentou o segundo reator e o vinho proveniente deste alimentou o terceiro reator, (b) Arranjo 2-Constituído de um sistema composto de três reatores, sendo que os dois primeiros são ligados em paralelo cuja vazão de alimentação em cada reator é 50% da vazão total. O vinho fermentado proveniente destes alimentou um terceiro reator que está ligado em série com os dois primeiros e ( c) Arranjo 3Constituído de três reatores ligados em série sendo que o primeiro reator recebeu metade da alimentação total, o efluente proveniente deste alimentou o segundo reator juntamente com a outra metade da alimentação, o efluente proveniente do segundo reator alimentou o terceiro. Os ensaios realizados para cada arranjo foram conduzidos segundo o planejamento fatorial completo e otimizado segundo o método de superficie de resposta. Para realização destes ensaios as variáveis independentes (n=2) estudadas foram: (a) concentração de substrato na alimentação (variando entre 150 a 200 gIl) e (b) tempo de residência (variando entre 3 a 4 h). As variáveis respostas foram o rendimento em etanol e a produtividade do sistema. Dentre os três arranjos estudados o arranjo 3 apresentou produtividade máxima de 27,39 g EtanoVL.h superior aos 26,29 g EtanoVL.h e 21,68 g EtanoVL.h dos arranjos 1 e 2 respectivamente, sendo, portanto o arranjo selecionado como ótimo. Após a obtenção do arranjo ótimo, foi estudado o desempenho do mesmo com diferentes meios industriais (méis de Usina de Açúcar com diferentes graus de esgotamento e resíduos açucarados proveniente da última prensagem do bagaço de laranja da fábrica de suco concentrado). Modelos matemáticos foram desenvolvidos e parâmetros cinéticos ajustados para poder, através de simulação em computador, entender melhor a dinâmica do processo. A modelagem matemática do reator foi realizada considerando-o como tubular sem dispersões axial e radial. A concentração de células foi considerada decrescente ao longo do reator, devido ao incremento da porosidade do leito na parte superior do mesmo. Foram testados modelos cinéticos da literatura, do tipo não estruturados e não segregados, com termos de inibição pelo produto, substrato, células e limitação pelo substrato. Os resultados obtidos mostram que os modelos que levam em consideração o efeito do substrato limitante, inibição pelo substrato e produto apresentaram o melhor ajuste aos dados experimentaisAbstract: This work aims to determine the optimum design of a fermentation system, constituted by tower reactors for ethanol production by making use of yeast with flocculating characteristics. We sought, through this optimization, to reach high productivity keeping the ethanol yield compatible to industrial levels, without having to use cell separation unity (centrifuge), aiming at the reduction in ethanol production costs at about 15%. A previously selected yeast strain was used in the experiment, collected from an industrial fermentation unity at Usina Junqueira (Igarapava/SP) during the crop in the year 2000. In the operational optimization of the reactors' design, the substrate used in the feeding of the system was a synthetic medium concentrated on a sucrose basis, diluted in line for the defined concentrations in each test. Three designs were tested, each one constituted by three reactors: (a) Design 1 - constituted by a system of three reactors connected in series, where fermented wine from the first reactor fed the second one and the wine from the second fed the third one; (b) Design 2 - constituted by a system of three reactors, in which the first two are connected in parallel and whose outflow from each one corresponds to 50% of the total. The fermented wine from them fed a third reactor which is connected in series to the first ones and ( c) Design 3 - constituted by three reactors connected in series from which the first reactor received half the total feeding, and the outflow from it fed the second reactor with half the feeding, and the outflow from the second reactor fed the third one. The tests were carried out according to experimental design and optimized according to response surface. For the completion of these tests, the independent variables (n=2) studied were: (a) substrate concentration in the feeding (ranging from 150 to 200 g/l) and (b) residence time (ranging from 3 to 4 h). The variable answers were the ethanol yield and the system productivity. From the three designs studied, the third one showed a maximum productivity of 27.39 g Ethanol/L.h higher than the 26.29 g Ethanol/L.h and 21.68 g Ethanol/L.h from the first and second designs, respeetively; therefore, considered optimum. After obtaining the optimum design, its performance with industrial media was studied (honeys from Sugar Plant at different levels of exhaustion and sugar residues from the last pressing of orange pulp from a concentrated juice factory). Mathematical models were developed and kinetic parameters were adjusted, through computer simulation, in order to better understand the dynamics of the processo The mathematical modelling of the reactor was carried out considering it tubular without axial or radial dispersion. The concentration of cells was considered decreasing along the reactor, due to the development of bed porosity in its upper parto Kinetic models from literature were tested, non-structured and non-segregated types in terms of inhibition by the product, substrate, cells and limitation by the substrate. The obtained results show that the models which take into account the effeet of the limiting substrate, inhibition by the substrate and product presented the best adjustment to the experimental dataDoutoradoDesenvolvimento de Processos BiotecnológicosDoutor em Engenharia Química[s.n.]Andrietta, Silvio Roberto, 1963-Stupiello, José PauloSantana, Maria Helena AndradeMaugeri Filho, FranciscoMaciel Filho, RubensUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia QuímicaPrograma de Pós-Graduação não informadoUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASViegas, Marcelo Caldeira20032003-04-25T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf139p. : il.(Broch.)https://hdl.handle.net/20.500.12733/1595352VIEGAS, Marcelo Caldeira. Otimização de sistema de fermentação alcoolica continua utilizando reatores tipo torre e leveduras com caracteristicas floculantes. 2003. 139p. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1595352. Acesso em: 2 set. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/295640porreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2017-02-18T03:51:27Zoai::295640Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2017-02-18T03:51:27Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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