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metadata.dc.type: Dissertação
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Title: Otimização dinâmica da fermentação alcoólica no processo embatelada alimentada
metadata.dc.creator: Borges, Patrícia Carolina Santos
metadata.dc.contributor.advisor1: Ribeiro, Eloizio Julio
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Murata, Valeria Viana
metadata.dc.contributor.referee1: Resende, Miriam Maria de
metadata.dc.contributor.referee2: Lopes, Luís Cláudio Oliveira
metadata.dc.contributor.referee3: Giordano, Roberto de Campos
metadata.dc.description.resumo: Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental da otimização dinâmica da fermentação alcoólica em batelada alimentada utilizando a levedura Saccharomyces cerevisiae num fermentador de 5 L. Foram realizados doze experimentos, três em batelada e nove em batelada alimentada, com concentrações iniciais de sacarose na faixa de 154 a 195,6 g/L para os experimentos em batelada e na faixa de 217 a 285 g/L para os experimentos em batelada alimentada. Os tempos de enchimento do fermentador variaram de 3 a 5 horas. O volume do inóculo correspondeu a 30% do volume do fermentador com concentração de álcool igual a 4%, típica dos processos industriais. São apresentados resultados sobre a influência do tempo de enchimento e da concentração de sacarose alimentada sobre os perfis de concentração de células, substrato e produto e sobre os rendimentos e produtividades na fermentação em batelada alimentada. A estimação dos parâmetros do modelo cinético não estruturado proposto por Tosetto (2002, Dissertação de Mestrado em Engenharia Química Universidade Estadual de Campinas, Campinas-SP. 82p) usando os resultados experimentais da fermentação em batelada e da fermentação em batelada alimentada, foi obtida pelo algoritmo de evolução diferencial de Storn e Price (1995, disponível em http://www.ICSI. Berkeley.edu/~storn/code.html, acesso: 13 novembro 2007). A análise de sensibilidade paramétrica e a estimativa do grau de correlação entre os parâmetros por meio da matriz de sensibilidade dos modelos foram feitas com o código DDASPK (Petzold et al., 2000, Code DDASPK. Copyright. University of Califórnia, 1-206) e com a metodologia proposta por (Sanz e Voss, 2006, Advances in Water Resources, 29, 439-457) respectivamente. O modelo cinético proposto representou satisfatoriamente a fermentação em batelada alimentada apesar da alta correlação entre os parâmetros, e o Problema de Otimização Dinâmica foi formulado para um caso experimental específico que resultou na maior produção de etanol (concentração de substrato alimentado = 285 g/L e tempo de enchimento = 5 h). O perfil ótimo simulado da vazão de substrato alimentado que maximiza a produção de etanol, sujeito a restrições no volume, na vazão de alimentação e no rendimento, foi obtido pela metodologia proposta por Lobato et al. (2006, XXII IACChE (CIIQ) 2006 / V CAIQ AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos IACChe - Interamerican Confederation of Chemical Engineering), que utiliza a Função Identificadora de Fases para determinar a seqüência de arcos não singulares e singulares e os tempos de transição entre as fases. O perfil ótimo é formado por uma seqüência: vazão máxima-vazão singular-vazão mínima, com tempo de fermentação de 5,11 h, definida com base na análise das condições operacionais que favoreciam o crescimento celular na fase inicial e a formação de produto na fase final, conforme indicado por Modak et al. (1986, Biotechnol. Bioeng., 28, 1396-1407).
Abstract: This work presents an experimental and theoretical study of the dynamic optimization of the alcoholic fermentation in fed-batch mode utilizing the Saccharomyces cerevisiae yeast in a bioreactor of 5 L. Twelve experiments were carried out, three them in batch and nine in fed-batch mode, with initial sucrose concentrations between 154 and 195.6 g/L for the experiments in batch and between 217 and 285 g/L for the experiments in fed-batch. The filling times for the bioreactor varied from 3 to 5 hours. The inoculum volume corresponded to 30% of the bioreactor volume with alcohol concentration like 4%, typical of the industrial processes. The results about the influence of the filling time and of the fed sucrose concentration about the substrate, product and cells concentration profiles and about the yields and productivities in the fed-batch fermentation are presented. The estimation of the parameters of the non structured kinetic model proposed by Tosetto (2002, Dissertation in Chemical Engineering Campinas Estadual University, Campinas-SP. 82p), using the experimental results of the batch and fed-batch fermentation, was obtained through the algorithm of differential evolution by Storn and Price (1995, available in http://www.ICSI. Berkeley.edu/~storn/code.html, access: november 13 2007). The analysis of parametric sensitivity and the estimate of the rank correlation between the parameters through the sensitivity matrix of the models were realized through the code DDASPK (Petzold et al., 2000, Code DDASPK. Copyright. University of Califórnia, 1-206) and by using the methodology proposed by Sanz e Voss (2006, Advances in Water Resources, 29, 439-457) respectively. The kinetic model proposed represented satisfactorily the fermentation in fed-batch despite of the high correlation between the parameters, and the Dynamic Optimization Problem was formulated for a specific experimental case that resulted in the biggest ethanol production (fed substract concentration = 285 g/L and filling time = 5 h). The simulated optimal profile of the fed substract rate that maximizes the ethanol production, subject to constraints in the volume, in the feed rate and in the yield, was obtained by the methodology proposed by Lobato et al. (2006, XXII IACChE (CIIQ) 2006 / V CAIQ AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos IACChe - Interamerican Confederation of Chemical Engineering), which utilizes the Switching Function to define the sequence of singular and non singular arcs and the switching times. The optimal profile is formed by the following sequence: minimum feed rate-singular feed rate-maximum feed rate, with time of fermentation of 5.11 h, defined on the basis of the analysis of the operational conditions that favored the cellular growth in the initial phase and the formation of product in the final phase, as indicated by Modak et al. (1986, Biotechnol. Bioeng., 28, 1396-1407 ).
Keywords: Fermentação em batelada alimentada
Etanol
Evolução diferencial
Sensibilidade paramétrica
Otimização dinâmica
Fed-batch fermentation
Ethanol
Differential evolution
Parameter sensitivity
Dynamic optimization
Fermentação
Álcool
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
metadata.dc.publisher.initials: UFU
metadata.dc.publisher.department: Engenharias
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Citation: BORGES, Patrícia Carolina Santos. Otimização dinâmica da fermentação alcoólica no processo embatelada alimentada. 2008. 162 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2008.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/15105
Issue Date: 7-Mar-2008
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