Avaliação da fermentação alcoólica extrativa em diferentes temperaturas com remoção de etanol por arraste com CO2

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Veloso, Ivan Ilich Kerbauy
Orientador(a): Badino, Alberto Colli lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
VHG
HCD
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/17584
Resumo: By reducing the fermentation temperature, the inhibitory effect of ethanol is also reduced, resulting in wines with higher ethanol contents, but with a significant decrease in ethanol productivity, due to the negative effect of temperature on fermentation kinetics. Another option for overcoming product inhibition is to remove part of the ethanol from the fermentation broth as it is produced, using CO2 stripping, which increases ethanol productivity and allows the feeding of more concentrated musts. Combining the two process strategies, the present work evaluated extractive fed-batch ethanol fermentation with the removal of ethanol by CO2 at temperatures of 28, 30, 32, and 34 °C. Firstly, a study was carried out to determine the influence of temperature on ethanol fermentation, using monitoring by mid-infrared spectroscopy (FT-MIR). Next, a mass balance of fed-batch ethanol fermentation with high cell density (HCD) was performed, considering the volume of cells (intrinsic modeling). Using a mixed kinetic model of cell growth, considering the inhibitions by substrate, product, and cells, evaluation was made of the effects of different cell concentrations on the kinetics of ethanol fermentation at different temperatures and with high substrate concentration in the must (VHG). Subsequently, a thermal analysis of the extractive fermentation was conducted at different temperatures, using simulations to find the gas flow rate that resulted in the best saving of water used for temperature control. Finally, extractive fermentation at different temperatures was optimized in terms of ethanol productivity. The monitoring of ethanol fermentation by FT-MIR showed excellent performance since it minimized the interference of temperature in the spectral bands when using calibration models with spectra acquired at different temperatures. The FT-MIR technique was essential for decision-making in extractive fermentations, including determination of the exact moment to start stripping, and productivity calculations. The developed intrinsic modeling improved substrate prediction, especially under VHG conditions. Fermentations at different cell concentrations were modeled and the parameter that reflected cell inhibition was correlated with the cell concentration in the inoculum and with temperature. The experimental validation of the optimal condition for water reduction by temperature control resulted in 61.9% water saving and a total ethanol content of 15.2 °GL for HCD and VHG extractive fermentation at 28 °C. Regarding the optimization of the process in terms of ethanol production, the extractive fermentation at 28 °C resulted in 142.1 g L-1 (18 °GL) of ethanol and high volumetric ethanol productivity of 9.6 g L-1 h-1. Furthermore, a high concentration of ethanol in the wine (14 °GL) was obtained, since less ethanol was removed by CO2 at lower temperatures. Therefore, the strategy of using stripping in ethanol fermentations at low temperatures proved to be promising, resulting in high ethanol productivity and providing environmental and economic advantages including water savings and other benefits from obtaining wines with high ethanol content, such as reduction of steam in distillation, reduction in the volume of vinasse generated, and other savings for inputs such as antibiotics and sulfuric acid related to bacterial contamination, contributing to cost reduction in the ethanol production process.
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Another option for overcoming product inhibition is to remove part of the ethanol from the fermentation broth as it is produced, using CO2 stripping, which increases ethanol productivity and allows the feeding of more concentrated musts. Combining the two process strategies, the present work evaluated extractive fed-batch ethanol fermentation with the removal of ethanol by CO2 at temperatures of 28, 30, 32, and 34 °C. Firstly, a study was carried out to determine the influence of temperature on ethanol fermentation, using monitoring by mid-infrared spectroscopy (FT-MIR). Next, a mass balance of fed-batch ethanol fermentation with high cell density (HCD) was performed, considering the volume of cells (intrinsic modeling). Using a mixed kinetic model of cell growth, considering the inhibitions by substrate, product, and cells, evaluation was made of the effects of different cell concentrations on the kinetics of ethanol fermentation at different temperatures and with high substrate concentration in the must (VHG). Subsequently, a thermal analysis of the extractive fermentation was conducted at different temperatures, using simulations to find the gas flow rate that resulted in the best saving of water used for temperature control. Finally, extractive fermentation at different temperatures was optimized in terms of ethanol productivity. The monitoring of ethanol fermentation by FT-MIR showed excellent performance since it minimized the interference of temperature in the spectral bands when using calibration models with spectra acquired at different temperatures. The FT-MIR technique was essential for decision-making in extractive fermentations, including determination of the exact moment to start stripping, and productivity calculations. The developed intrinsic modeling improved substrate prediction, especially under VHG conditions. Fermentations at different cell concentrations were modeled and the parameter that reflected cell inhibition was correlated with the cell concentration in the inoculum and with temperature. The experimental validation of the optimal condition for water reduction by temperature control resulted in 61.9% water saving and a total ethanol content of 15.2 °GL for HCD and VHG extractive fermentation at 28 °C. Regarding the optimization of the process in terms of ethanol production, the extractive fermentation at 28 °C resulted in 142.1 g L-1 (18 °GL) of ethanol and high volumetric ethanol productivity of 9.6 g L-1 h-1. Furthermore, a high concentration of ethanol in the wine (14 °GL) was obtained, since less ethanol was removed by CO2 at lower temperatures. Therefore, the strategy of using stripping in ethanol fermentations at low temperatures proved to be promising, resulting in high ethanol productivity and providing environmental and economic advantages including water savings and other benefits from obtaining wines with high ethanol content, such as reduction of steam in distillation, reduction in the volume of vinasse generated, and other savings for inputs such as antibiotics and sulfuric acid related to bacterial contamination, contributing to cost reduction in the ethanol production process.Reduzindo-se a temperatura de fermentação, reduz-se também o efeito inibitório do etanol, obtendo-se vinhos com maiores teores alcoólicos, porém, com a diminuição significativa da produtividade em etanol, devido ao efeito negativo da temperatura sobre a cinética da fermentação. Outra alternativa para contornar a inibição pelo produto é remover parte do etanol do caldo à medida que o mesmo é produzido, utilizando CO2 como gás de arraste (CO2 stripping), o que aumenta a produtividade em etanol e permite a alimentação de mostos mais concentrados em açúcar. Unindo-se as duas estratégias de processo, o presente trabalho avaliou a fermentação alcoólica extrativa em batelada alimentada, com remoção de etanol por arraste gasoso com CO2 nas temperaturas de 28, 30, 32 e 34 °C. Inicialmente, foi realizado um estudo sobre a influência da temperatura no monitoramento da fermentação alcoólica utilizando espectroscopia de infravermelho médio (FT-MIR). Na sequência, foi aplicado o balanço de massa na fermentação alcoólica em batelada alimentada com alta densidade celular (HCD, do inglês high cell density) considerando o volume de células (modelagem intrínseca). Utilizando um modelo cinético misto de crescimento celular, que considera as inibições por substrato, produto e células, foram avaliados os efeitos de diferentes concentrações celulares na cinética da fermentação alcoólica em diferentes temperaturas e com elevada concentração de substrato no mosto (VHG, do inglês very high gravity). Posteriormente, realizou-se a análise térmica da fermentação extrativa em diferentes temperaturas, obtendo através de simulações a vazão de CO2 que resultou na economia de água utilizada no controle de temperatura. Por fim, a fermentação extrativa em diferentes temperaturas foi otimizada em termos de produtividade em etanol. O monitoramento da fermentação alcoólica por FT-MIR apresentou excelente desempenho, uma vez que minimizou a interferência da temperatura nas bandas espectrais ao serem utilizados modelos de calibração com espectros adquiridos em diferentes temperaturas. A técnica FT-MIR foi imprescindível para tomadas de decisão nas fermentações extrativas, como o momento exato do início do stripping e no cálculo de produtividade em etanol. A modelagem intrínseca desenvolvida melhorou a previsão da concentração de substrato, principalmente sob condições VHG. Fermentações sob diferentes concentrações celulares foram modeladas e o parâmetro que pondera a inibição celular foi correlacionando com a concentração celular do inóculo e com a temperatura. A validação experimental da condição ótima para redução do consumo de água para controle de temperatura resultou em uma economia de água de 61,9% e um teor total de etanol de 15,2 °GL na fermentação extrativa HCD e VHG a 28 °C. Com relação à otimização do processo em termos de produtividade em etanol, na fermentação extrativa a 28 °C foram obtidos 142,1 g L-1 (18 °GL) de etanol e alta produtividade volumétrica de 9,6 g L-1 h-1. Além disso, a concentração de etanol no vinho foi elevada (14 °GL), uma vez que a remoção de etanol por arraste gasoso com CO2 é menor em temperaturas mais baixas. Portanto, a estratégia de utilizar o stripping em fermentações a baixa temperatura mostrou-se ecologicamente amigável no que diz respeito à economia de água e promissora, resultando em elevada produtividade em etanol e proporcionando benefícios econômicos resultantes da obtenção de vinhos com elevado teor alcoólico, como reduções de vapor na destilação e do volume de vinhaça gerado, além de outras economias com insumos como antibióticos e ácido sulfúrico relacionados com a contaminação bacteriana, contribuindo para redução de custos globais do processo de produção de etanol.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Processo n° 141300/2019-1, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e tecnológico (CNPq)porUniversidade 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/openAccessFermentação alcoólicaBaixa temperaturaBatelada alimentadaFermentação extrativaArraste gasosoModelagemVHGHCDEthanol fermentationLow temperatureFed-batchExtractive fermentationGas strippingModelingENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAAvaliação da fermentação alcoólica extrativa em diferentes temperaturas com remoção de etanol por arraste com CO2Evaluation of extractive ethanol fermentation at different temperatures with ethanol removal by CO2 strippinginfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis6006004288d507-84b9-47b4-b064-dae9354cf618reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d42abef2-1763-4976-b5d7-37f8f1e9bb68/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52falseAnonymousREADORIGINALTese_Ivan Veloso_Versão (Final).pdfTese_Ivan Veloso_Versão (Final).pdfTese_Ivan Velosoapplication/pdf5460944https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/95be2378-9ce5-433d-b4d0-06299b8f1c7e/downloadf932d538ddd9bdf652344bbf4bb835a3MD51trueAnonymousREADTEXTTese_Ivan Veloso_Versão (Final).pdf.txtTese_Ivan Veloso_Versão (Final).pdf.txtExtracted texttext/plain321442https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/f95ff9c0-d228-4c53-bc92-a36c0ce62f59/downloadc48e1d0eb01176cdb5803e6062281c8aMD55falseAnonymousREADTHUMBNAILTese_Ivan Veloso_Versão (Final).pdf.jpgTese_Ivan Veloso_Versão (Final).pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg5173https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/37da49c3-d7ee-4f13-850a-64ef1c0ade07/download70f21018f9fc0891b6e093506cae1302MD56falseAnonymousREAD20.500.14289/175842025-02-05 23:10:40.612http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/17584https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T02:10:40Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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