Estudo experimental e modelagem matemática do processo de fermentação alcoólica considerando efeitos térmicos. - Eliodório, Kevy Pontes (2024)
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.