Aplicação do arraste gasoso associado ao vácuo em fermentações extrativas utilizando matérias-primas sacarina e amilácea
| Ano de defesa: | 2025 |
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| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | eng |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Palavras-chave em Inglês: | |
| Área do conhecimento CNPq: | |
| Link de acesso: | https://hdl.handle.net/20.500.14289/22506 |
Resumo: | Despite being well-established industrially, ethanol fermentation is limited by the toxic effect of ethanol on yeast, resulting in wines with low alcohol content (10–15% v/v). Ethanol removal techniques can be applied to mitigate the inhibitory effect of the product and increase process productivity. In this context, the present work evaluated extractive ethanol fermentation using vacuum-assisted gas stripping. Initially, ethanol removal from hydroalcoholic solutions was investigated under different operational configurations of CO₂ specific flow rate, temperature, and pressure, with the aim of identifying the conditions that provided the highest ethanol removal from the liquid phase and the highest concentration in the gas phase. Subsequently, extractive fermentations with saccharine feedstock were assessed using both conventional and vacuum-assisted gas stripping, and the energy requirements of both processes were analyzed. Finally, extractive fermentations with starchy feedstock were conducted in separate hydrolysis and fermentation (SHF) and simultaneous saccharification and fermentation (SSF) processes. Mathematical models were developed to describe the processes, based on mass balance equations and incorporating the kinetics of hydrolysis, fermentation, and ethanol and water removal. The results of ethanol removal from hydroalcoholic solutions showed that all three operational variables significantly affected the process within the evaluated experimental range. The application of the technique increased the ethanol concentration in the gas phase by up to six times. In extractive fermentations with saccharine feedstock, both vacuum-assisted and conventional gas stripping increased ethanol productivity by up to 14.3%. The energy analysis indicated that the integrated technique reduced energy demand by 31.3% compared to conventional gas stripping. Finally, extractive fermentation of starchy feedstock increased ethanol productivity by 60% compared to conventional fermentation. The mathematical model adequately described the fermentation process. Vacuum-assisted gas stripping demonstrated potential as a promising technique, with the capacity to enhance ethanol productivity and lower the costs associated with the recovery and concentration of the removed ethanol. |
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Almeida, Letícia PereiraBadino Junior, Alberto Collihttp://lattes.cnpq.br/6244428434217018http://lattes.cnpq.br/72114150534070352025-08-05T12:16:55Z2025-07-29ALMEIDA, Letícia Pereira. Aplicação do arraste gasoso associado ao vácuo em fermentações extrativas utilizando matérias-primas sacarina e amilácea. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22506.https://hdl.handle.net/20.500.14289/22506Despite being well-established industrially, ethanol fermentation is limited by the toxic effect of ethanol on yeast, resulting in wines with low alcohol content (10–15% v/v). Ethanol removal techniques can be applied to mitigate the inhibitory effect of the product and increase process productivity. In this context, the present work evaluated extractive ethanol fermentation using vacuum-assisted gas stripping. Initially, ethanol removal from hydroalcoholic solutions was investigated under different operational configurations of CO₂ specific flow rate, temperature, and pressure, with the aim of identifying the conditions that provided the highest ethanol removal from the liquid phase and the highest concentration in the gas phase. Subsequently, extractive fermentations with saccharine feedstock were assessed using both conventional and vacuum-assisted gas stripping, and the energy requirements of both processes were analyzed. Finally, extractive fermentations with starchy feedstock were conducted in separate hydrolysis and fermentation (SHF) and simultaneous saccharification and fermentation (SSF) processes. Mathematical models were developed to describe the processes, based on mass balance equations and incorporating the kinetics of hydrolysis, fermentation, and ethanol and water removal. The results of ethanol removal from hydroalcoholic solutions showed that all three operational variables significantly affected the process within the evaluated experimental range. The application of the technique increased the ethanol concentration in the gas phase by up to six times. In extractive fermentations with saccharine feedstock, both vacuum-assisted and conventional gas stripping increased ethanol productivity by up to 14.3%. The energy analysis indicated that the integrated technique reduced energy demand by 31.3% compared to conventional gas stripping. Finally, extractive fermentation of starchy feedstock increased ethanol productivity by 60% compared to conventional fermentation. The mathematical model adequately described the fermentation process. Vacuum-assisted gas stripping demonstrated potential as a promising technique, with the capacity to enhance ethanol productivity and lower the costs associated with the recovery and concentration of the removed ethanol.Apesar de consolidada industrialmente, a fermentação alcoólica possui como limitação o efeito tóxico do etanol na levedura, levando a obtenção de vinhos com baixo teor alcoólico (10–15% v/v). Técnicas de remoção de etanol podem ser empregadas para mitigar o efeito inibitório desse produto e aumentar a produtividade do processo. Nesse sentido, o presente trabalho avaliou a fermentação alcoólica extrativa utilizando o arraste gasoso associado ao vácuo. Inicialmente, investigou-se a remoção de etanol de soluções hidroalcoólicas em diferentes configurações operacionais de vazão específica de CO₂ , temperatura e pressão, com o objetivo de identificar aquela que proporcionaria a maior remoção de etanol da fase líquida, bem como a maior concentração na fase gasosa. Em seguida, fermentações extrativas utilizando matéria-prima sacarina foram avaliadas através das técnicas de arraste gasoso convencional e associado ao vácuo, bem como a análise energética de ambos os processos. Por fim, foram conduzidas fermentações extrativas utilizando matéria-prima amilácea, avaliando os processos de hidrólise e fermentação separada (HFS) e sacarificação e fermentação simultânea (SFS). Foram desenvolvidos modelos para descrever os processos, baseando-se nas equações de balanço de massa e cinéticas das etapas de hidrólise, fermentação e remoção de etanol e água. Os resultados da remoção de etanol em soluções hidroalcoólicas mostraram que todas as três variáveis operacionais apresentaram efeito significativo dentro da faixa experimental avaliada. A aplicação da técnica promoveu a concentração do etanol na fase gasosa em até 6 vezes. Nas fermentações extrativas a partir de fonte sacarina, observou-se que tanto o arraste gasoso associado ao vácuo quanto o arraste gasoso convencional aumentaram em até 14,3% a produtividade em etanol. A análise energética indicou que a técnica integrada reduziu em 31,3% a energia requerida em comparação ao arraste gasoso convencional. Por fim, a fermentação extrativa de matéria-prima amilácea aumentou a produtividade em etanol em até 60% em relação à fermentação convencional. A modelagem matemática descreveu adequadamente o processo fermentativo. O arraste gasoso associado ao vácuo demonstrou ser uma técnica promissora, com potencial para melhorar a produtividade em etanol e reduzir os custos nas etapas de recuperação e concentração do etanol removido.engUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessEthanolSimultaneous hydrolysis and fermentationExtractive fermentationGas strippingVacuumProcess integrationENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAetanolHidrólise e fermentação simultâneasFermentação extrativaArraste gasosoVácuoIntegração de processosAplicação do arraste gasoso associado ao vácuo em fermentações extrativas utilizando matérias-primas sacarina e amiláceaApplication of vacuum-assisted gas stripping in extractive fermentations using saccharine and starchy feedstocksinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese Final_Letícia Pereira Almeida.pdfTese Final_Letícia Pereira Almeida.pdfapplication/pdf1585648https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c03c6579-62a6-4335-acda-e817c7807af8/downloadd62572ab542b085e53ed206910de3502MD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8906https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d6dbdc99-493c-45e6-9332-e5d9c69d7373/downloadfba754f0467e45ac3862bc2533fb2736MD53falseAnonymousREADTEXTTese Final_Letícia Pereira Almeida.pdf.txtTese Final_Letícia Pereira Almeida.pdf.txtExtracted texttext/plain101177https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/308b4258-87ae-488b-b6bb-2fea7e815fa8/download2e1d860e99cc2590253ffce13ea60fe9MD54falseAnonymousREADTHUMBNAILTese Final_Letícia Pereira Almeida.pdf.jpgTese Final_Letícia Pereira Almeida.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4396https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/1272c3ce-33af-42f3-8548-13a8ce38b717/download0b202d49bc24cf797657ce58c360386aMD55falseAnonymousREAD20.500.14289/225062025-08-06T03:09:25.167096Zhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22506https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-08-06T03:09:25Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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Despite being well-established industrially, ethanol fermentation is limited by the toxic effect of ethanol on yeast, resulting in wines with low alcohol content (10–15% v/v). Ethanol removal techniques can be applied to mitigate the inhibitory effect of the product and increase process productivity. In this context, the present work evaluated extractive ethanol fermentation using vacuum-assisted gas stripping. Initially, ethanol removal from hydroalcoholic solutions was investigated under different operational configurations of CO₂ specific flow rate, temperature, and pressure, with the aim of identifying the conditions that provided the highest ethanol removal from the liquid phase and the highest concentration in the gas phase. Subsequently, extractive fermentations with saccharine feedstock were assessed using both conventional and vacuum-assisted gas stripping, and the energy requirements of both processes were analyzed. Finally, extractive fermentations with starchy feedstock were conducted in separate hydrolysis and fermentation (SHF) and simultaneous saccharification and fermentation (SSF) processes. Mathematical models were developed to describe the processes, based on mass balance equations and incorporating the kinetics of hydrolysis, fermentation, and ethanol and water removal. The results of ethanol removal from hydroalcoholic solutions showed that all three operational variables significantly affected the process within the evaluated experimental range. The application of the technique increased the ethanol concentration in the gas phase by up to six times. In extractive fermentations with saccharine feedstock, both vacuum-assisted and conventional gas stripping increased ethanol productivity by up to 14.3%. The energy analysis indicated that the integrated technique reduced energy demand by 31.3% compared to conventional gas stripping. Finally, extractive fermentation of starchy feedstock increased ethanol productivity by 60% compared to conventional fermentation. The mathematical model adequately described the fermentation process. Vacuum-assisted gas stripping demonstrated potential as a promising technique, with the capacity to enhance ethanol productivity and lower the costs associated with the recovery and concentration of the removed ethanol. |
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