Estudo experimental e modelagem matemática do processo de fermentação alcoólica considerando efeitos térmicos.
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2024 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP |
Texto Completo: | https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-20082024-110512/ |
Resumo: | O Brasil produz bioetanol por meio da fermentação de caldo de cana ou melaço utilizando a levedura Saccharomyces cerevisiae. Contudo, este processo é desafiador devido às condições extremas e estressantes, como alta densidade celular e temperatura, que as leveduras enfrentam no ambiente industrial. Além disso, a qualidade do melaço varia significativamente, dificultando a modelagem do processo. O Capítulo 3 demonstra o desenvolvimento de um meio sintético definido (2SMol) capaz de reproduzir as condições do substrato da cana-de-açúcar, aumentando reprodutibilidade. O efeito dos grupos nutricionais no crescimento foi conduzido para obter a composição final. Os efeitos significativos das vitaminas e fontes de nitrogênio nos parâmetros de crescimento das cepas de S. cerevisiae foram demonstrados. O desempenho de 2SMol em comparação com amostras industriais em fermentações industriais indicou que o meio pôde reproduzir a fisiologia da levedura em melaço de cana-de-açúcar. Adicionalmente, o efeito das reações de Maillard e caramelização, que ocorrem durante o tratamento do caldo de cana, foram investigadas no Capítulo 4, avaliando a fisiologia do crescimento de S. cerevisiae em sistemas contendo produtos dessas reações. Esses produtos afetaram significativamente a velocidade específica de crescimento em meio mineral e em melaço sintético. Utilizando 2SMol, um modelo matemático para descrever o processo de fermentações em batelada foi apresentado no Capítulo 5. O modelo fenomenológico indicou um excelente ajuste aos dados experimentais em cinco temperaturas variando de 28 a 40ºC (RSD<10%). Este capítulo apresenta complementarmente modificações iniciais para incluir características calorimétricas ao biorreator. Embora o calor biológico experimental esteja de acordo com o teórico, as modificações não foram consideradas sensíveis o suficiente para medir uma produção de calor biológico tão branda. No Capítulo 6 são demonstradas as principais diferenças na produção de calor entre os metabolismos respiratório e fermentativo utilizando um reator calorimétrico adequado em cultivos contínuos de S. cerevisiae. A produção de calor biológico foi maior no metabolismo respiratório (-1095 kJ.mol-1 glicose) se comparado ao respiro-fermentativo (-422) e fermentativo em taxas de diluições de 0,1 (-157) e 0,3 (97) h-1. Neste capítulo também foi proposto um modelo empírico para descrever a liberação de calor em função dos rendimentos, no qual os valores estimados dos parâmetros de calor de manutenção e calor de crescimento foram -0.064 e -0.152 W.g-1 biomassa e -24.5 e -36.2 kJ.C-mol-1 biomassa para condições aeróbias e anaeróbicas, respectivamente. O Capítulo 7 conecta os capítulos anteriores apresentando a validação do modelo cinético e uma proposta de modelo para descrever a produção de calor pela reação biológica. Inicialmente foram avaliados os resultados calorimétricos de fermentações descontínuas, nas quais uma produção de calor de -480 kJ.g-1 açúcares redutores totais foi obtida. Então, o modelo de calor biológico foi proposto em função do consumo de substrato, e este modelo e o modelo cinético proposto no Capítulo 5 foram validados em duas fermentações sequenciais em batelada alimentada simulando a produção industrial de etanol no Brasil. Os resultados deste estudo contribuem para o conhecimento sobre cinética de fermentação e produção de calor, melhorando projetos de reatores e controle de temperatura para aplicações industriais. |
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Estudo experimental e modelagem matemática do processo de fermentação alcoólica considerando efeitos térmicos.Experimental study and mathematical modelling of ethanol fermentation considering thermal effects.Bioprocess modellingCalorimetria de bioprocessosMelaço de cana-de-açúcarModelagem matemáticaSaccharomyces cerevisiaeSugarcane molassesYeast fermentationO Brasil produz bioetanol por meio da fermentação de caldo de cana ou melaço utilizando a levedura Saccharomyces cerevisiae. Contudo, este processo é desafiador devido às condições extremas e estressantes, como alta densidade celular e temperatura, que as leveduras enfrentam no ambiente industrial. Além disso, a qualidade do melaço varia significativamente, dificultando a modelagem do processo. O Capítulo 3 demonstra o desenvolvimento de um meio sintético definido (2SMol) capaz de reproduzir as condições do substrato da cana-de-açúcar, aumentando reprodutibilidade. O efeito dos grupos nutricionais no crescimento foi conduzido para obter a composição final. Os efeitos significativos das vitaminas e fontes de nitrogênio nos parâmetros de crescimento das cepas de S. cerevisiae foram demonstrados. O desempenho de 2SMol em comparação com amostras industriais em fermentações industriais indicou que o meio pôde reproduzir a fisiologia da levedura em melaço de cana-de-açúcar. Adicionalmente, o efeito das reações de Maillard e caramelização, que ocorrem durante o tratamento do caldo de cana, foram investigadas no Capítulo 4, avaliando a fisiologia do crescimento de S. cerevisiae em sistemas contendo produtos dessas reações. Esses produtos afetaram significativamente a velocidade específica de crescimento em meio mineral e em melaço sintético. Utilizando 2SMol, um modelo matemático para descrever o processo de fermentações em batelada foi apresentado no Capítulo 5. O modelo fenomenológico indicou um excelente ajuste aos dados experimentais em cinco temperaturas variando de 28 a 40ºC (RSD<10%). Este capítulo apresenta complementarmente modificações iniciais para incluir características calorimétricas ao biorreator. Embora o calor biológico experimental esteja de acordo com o teórico, as modificações não foram consideradas sensíveis o suficiente para medir uma produção de calor biológico tão branda. No Capítulo 6 são demonstradas as principais diferenças na produção de calor entre os metabolismos respiratório e fermentativo utilizando um reator calorimétrico adequado em cultivos contínuos de S. cerevisiae. A produção de calor biológico foi maior no metabolismo respiratório (-1095 kJ.mol-1 glicose) se comparado ao respiro-fermentativo (-422) e fermentativo em taxas de diluições de 0,1 (-157) e 0,3 (97) h-1. Neste capítulo também foi proposto um modelo empírico para descrever a liberação de calor em função dos rendimentos, no qual os valores estimados dos parâmetros de calor de manutenção e calor de crescimento foram -0.064 e -0.152 W.g-1 biomassa e -24.5 e -36.2 kJ.C-mol-1 biomassa para condições aeróbias e anaeróbicas, respectivamente. O Capítulo 7 conecta os capítulos anteriores apresentando a validação do modelo cinético e uma proposta de modelo para descrever a produção de calor pela reação biológica. Inicialmente foram avaliados os resultados calorimétricos de fermentações descontínuas, nas quais uma produção de calor de -480 kJ.g-1 açúcares redutores totais foi obtida. Então, o modelo de calor biológico foi proposto em função do consumo de substrato, e este modelo e o modelo cinético proposto no Capítulo 5 foram validados em duas fermentações sequenciais em batelada alimentada simulando a produção industrial de etanol no Brasil. Os resultados deste estudo contribuem para o conhecimento sobre cinética de fermentação e produção de calor, melhorando projetos de reatores e controle de temperatura para aplicações industriais.Brazil produces bioethanol by fermenting sugarcane juice or molasses using the yeast Saccharomyces cerevisiae. However, the process is challenging due to the extreme and stressful conditions, such as high cell density and temperature, which yeast strains face in the industrial environment. Moreover, the quality of molasses varies significantly, making the process modeling difficult. Aiming to contribute to this topic, Chapter 3 showed the development of a defined synthetic medium (2SMol) able to reproduce sugarcane substrate conditions, obtaining higher reproducibility. The effect of nutritional groups on growth parameters was conducted to achieve the final basal composition, and the significant effects of vitamins and nitrogen sources on growth parameters of S. cerevisiae strains were demonstrated. A benchmark of 2SMol results with industrial samples in industrial-like fermentations indicated that the medium can fully reproduce the physiology of yeast in sugarcane molasses. In addition, questions surrounding the effect of Maillard and caramelization reactions, which occur during sugarcane juice treatment, were investigated in Chapter 4 by assessing the growth physiology of S. cerevisiae in systems containing products of these reactions. These reactions significantly affected the specific growth rate in mineral medium and different versions of the synthetic molasses. Using the 2SMol, a mathematical model to describe the process of batch fermentations was developed and presented in Chapter 5. The phenomenological model indicated an excellent fit to experimental data in five temperatures ranging from 28 to 40°C (RSD<10%). This chapter additionally presented the initial modifications to include calorimetric features in the bioreactor. Although the experimental biological heat agreed with the theoretical, the modifications were not considered sensitive enough to measure such mild biological heat production. It is demonstrated in Chapter 6 the main differences in heat production between respiratory and fermentative metabolisms using an adequate calorimetric reactor in continuous cultivations of S. cerevisiae. The biological heat production was higher in respiratory metabolism (-1095 kJ.mol-1 glucose), in comparison with respiro-fermentative (-422) and pure fermentative at 0.1 (-157) and 0.3 (-97) h-1 dilution rates. In this chapter, it was also proposed an empirical model to describe the heat release as a function of yields, in which estimated parameter values of maintenance heat and growth heat were -0.064 and -0.152 W.g-1 biomass and -24.5 and -36.2 kJ.C-mol-1 biomass for aerobic and anaerobic conditions, respectively. Chapter 7 connects previous chapters in kinetic model validation and a model proposal to describe biological heat production. Initially, the calorimetric results of batch fermentations were assessed, in which a heat production of c.a. -480 kJ.g-1 TRS was obtained. Then, the biological heat model was proposed as a function of substrate consumption, and this model and the kinetic model proposed in Chapter 5 were validated in two sequential fed-batch fermentations simulating the ethanol industrial production in Brazil. The results of this study contribute to the knowledge about fermentation kinetics and heat production, improving reactor and temperature control designs for industrial applications.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPBasso, Thiago OlittaGiudici, ReinaldoEliodório, Kevy Pontes2024-03-11info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-20082024-110512/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesspor2024-08-23T12:22:02Zoai:teses.usp.br:tde-20082024-110512Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212024-08-23T12:22:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false |
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O Brasil produz bioetanol por meio da fermentação de caldo de cana ou melaço utilizando a levedura Saccharomyces cerevisiae. Contudo, este processo é desafiador devido às condições extremas e estressantes, como alta densidade celular e temperatura, que as leveduras enfrentam no ambiente industrial. Além disso, a qualidade do melaço varia significativamente, dificultando a modelagem do processo. O Capítulo 3 demonstra o desenvolvimento de um meio sintético definido (2SMol) capaz de reproduzir as condições do substrato da cana-de-açúcar, aumentando reprodutibilidade. O efeito dos grupos nutricionais no crescimento foi conduzido para obter a composição final. Os efeitos significativos das vitaminas e fontes de nitrogênio nos parâmetros de crescimento das cepas de S. cerevisiae foram demonstrados. O desempenho de 2SMol em comparação com amostras industriais em fermentações industriais indicou que o meio pôde reproduzir a fisiologia da levedura em melaço de cana-de-açúcar. Adicionalmente, o efeito das reações de Maillard e caramelização, que ocorrem durante o tratamento do caldo de cana, foram investigadas no Capítulo 4, avaliando a fisiologia do crescimento de S. cerevisiae em sistemas contendo produtos dessas reações. Esses produtos afetaram significativamente a velocidade específica de crescimento em meio mineral e em melaço sintético. Utilizando 2SMol, um modelo matemático para descrever o processo de fermentações em batelada foi apresentado no Capítulo 5. O modelo fenomenológico indicou um excelente ajuste aos dados experimentais em cinco temperaturas variando de 28 a 40ºC (RSD<10%). Este capítulo apresenta complementarmente modificações iniciais para incluir características calorimétricas ao biorreator. Embora o calor biológico experimental esteja de acordo com o teórico, as modificações não foram consideradas sensíveis o suficiente para medir uma produção de calor biológico tão branda. No Capítulo 6 são demonstradas as principais diferenças na produção de calor entre os metabolismos respiratório e fermentativo utilizando um reator calorimétrico adequado em cultivos contínuos de S. cerevisiae. A produção de calor biológico foi maior no metabolismo respiratório (-1095 kJ.mol-1 glicose) se comparado ao respiro-fermentativo (-422) e fermentativo em taxas de diluições de 0,1 (-157) e 0,3 (97) h-1. Neste capítulo também foi proposto um modelo empírico para descrever a liberação de calor em função dos rendimentos, no qual os valores estimados dos parâmetros de calor de manutenção e calor de crescimento foram -0.064 e -0.152 W.g-1 biomassa e -24.5 e -36.2 kJ.C-mol-1 biomassa para condições aeróbias e anaeróbicas, respectivamente. O Capítulo 7 conecta os capítulos anteriores apresentando a validação do modelo cinético e uma proposta de modelo para descrever a produção de calor pela reação biológica. Inicialmente foram avaliados os resultados calorimétricos de fermentações descontínuas, nas quais uma produção de calor de -480 kJ.g-1 açúcares redutores totais foi obtida. Então, o modelo de calor biológico foi proposto em função do consumo de substrato, e este modelo e o modelo cinético proposto no Capítulo 5 foram validados em duas fermentações sequenciais em batelada alimentada simulando a produção industrial de etanol no Brasil. Os resultados deste estudo contribuem para o conhecimento sobre cinética de fermentação e produção de calor, melhorando projetos de reatores e controle de temperatura para aplicações industriais. |
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