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https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/34842
Tipo: | Dissertação |
Título: | Modelagem, simulação otimização de biorreator: abordagem para o limite de concentração de substrato na fermentação alcoólica |
Autor(es): | Silva, Ruan Dionízio |
Primeiro Orientador: | Silva, Flávio Luiz Honorato da |
Resumo: | A produção de etanol a partir da cana-de-açúcar é um processo bioquímico complexo que desempenha um papel vital na transição para fontes de energia mais limpas. A sacarose obtida do caldo de cana-de-açúcar serve como substrato para a fermentação, realizada pela levedura Saccharomyces cerevisiae. Essa transformação bioquímica resulta na produção de etanol, um biocombustível renovável, e dióxido de carbono. Neste estudo é realizada uma modelagem e simulação de um processo contínuo de fermentação alcoólica da cana de açúcar a partir da Saccharomyces cerevisiae e seus aspectos cinéticos, destacando a relevância da otimização desse processo devido a necessidade de encontrar alternativas para fontes de combustível poluentes e não renováveis em nível global. Este trabalho buscou também revisar os modelos cinéticos de Levenspiel, Monod e Tosetto, aplicando-os nos balanços de massa e energia para comparação e análise no redimento e na produtividade obtidos pela utilização de cada um desses modelos, foram variados concentração inicial de células, concentração inicial de substrato e tempo de residência. Também buscou-se desenvolver um modelo para o limite de concentração de etanol, 𝑃𝑚𝑎𝑥, em função da concentração inicial de substrato e temperatura para que a simulação ocorresse de forma mais próxima da realidade. Planejamentos fatoriais foram feitos, variando tempo de residência, concentração inicial de substrato e células, a fim de comparar a influência nos resultados de rendimento e produtividade pela utilização de um trocador de calor de placas com uma vazão de fluido refrigerante definida para o resfriamento do biorreator nas condições operacionais escolhidas. Resultados numéricos revelaram otimizações significativas, como um rendimento de 86,23% e uma produtividade de 37,90 𝑘𝑔 ℎ −1𝑚−3 com o trocador de calor de placas (planejamento 1) para as condições iniciais de 14 g/L de concentração inicial de células, 215 g/L de concentração inicial de substrado e 2,5 h de tempo de residência, e um redimento de 86,28% e uma produtividade de 42,33 𝑘𝑔 ℎ −1𝑚−3 , também com o tracor de calor (planejamento 2) para as condições iniciais de 14 g/L de concentração inicial de células, 240 g/L de concentração inicial de substrado e 2,5 h de tempo de residência. A simulação foi realizada com base em uma modelagem que empregou exclusivamente dados experimentais e equações empíricas retiradas da literatura, juntamente com algumas condições operacionais fixas detalhadas na pesquisa. Evidenciou-se a necessidade de estudos adicionais para compreender outros parâmetros cinéticos, para além do limite de concentração do produto analisado neste trabalho, e seu impacto na produção de etanol. |
Abstract: | Production of ethanol from sugarcane is a complex biochemical process that plays a vital role in transitioning to cleaner energy sources. Sucrose obtained from sugarcane juice serves as a substrate for fermentation, carried out by the yeast Saccharomyces cerevisiae. This biochemical transformation results in the production of ethanol, a renewable biofuel, and carbon dioxide. In this study, a modeling and simulation of a continuous alcoholic fermentation process from sugarcane using Saccharomyces cerevisiae and its kinetic aspects are conducted, highlighting the importance of optimizing this process due to the need to find alternatives to polluting and nonrenewable fuel sources globally. This work also sought to review the kinetic models of Levenspiel, Monod, and Tosetto, applying them in mass and energy balances for comparison and analysis of the yield and productivity obtained by using each of these models, with varied initial cell concentration, initial substrate concentration, and residence time. Additionally, a model for the ethanol concentration limit, 𝑃𝑚𝑎𝑥, was developed as a function of initial substrate concentration and temperature to make the simulation closer to reality. Factorial designs were carried out, varying residence time, initial substrate concentration, and cells, to compare the influence on yield and productivity results by using a plate heat exchanger with a defined refrigerant fluid flow rate for cooling the bioreactor under the chosen operational conditions. Numerical results revealed significant optimizations, such as a yield of 86.23% and a productivity of 37.90 𝑘𝑔 ℎ −1𝑚−3 with the plate heat exchanger (factorial design 1) for the initial conditions of 14 g/L initial cell concentration, 215 g/L initial substrate concentration, and 2.5 hours residence time, and a yield of 86.28% and a productivity of 42.33 𝑘𝑔 ℎ −1𝑚−3 also with the heat exchanger (factorial design 2) for the initial conditions of 14 g/L initial cell concentration, 215 g/L initial substrate concentration, and 2.5 hours residence time. The simulation was performed based on modeling that purely relied on experimental data and empirical equations taken from the literature, along with some fixed operational conditions as outlined in the research. It underscored the need for further studies to understand other kinetic parameters (beyond the concentration limit of the product analyzed in this study) and their impact on ethanol production. |
Palavras-chave: | Bioprocessos Rendimento fermentativo Fermentação alcoólica - cana de açúcar Bioprocesses Fermentative yield Bioreactor efficiency Saccharomyces cerevisiae Experimental design Heat transfer |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal da Paraíba |
Sigla da Instituição: | UFPB |
Departamento: | Engenharia Química |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química |
Tipo de Acesso: | Acesso aberto Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil |
URI: | http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/ |
URI: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/34842 |
Data do documento: | 13-Ago-2024 |
Aparece nas coleções: | Centro de Tecnologia (CT) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química |
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