Estudo experimental e modelagem matemática do processo de fermentação alcoólica considerando efeitos térmicos

Resumo

A população mundial praticamente dobrou nos últimos cinquenta anos, aumentando o consumo de energia devido ao desenvolvimento de novas tecnologias e processos, que são baseados em uma matriz energética derivada de combustíveis fósseis. Atualmente, dentre os biocombustíveis o etanol produzido de cana-de-açúcar é amplamente utilizado como combustível na forma hidratada e, adicionalmente, também é utilizado como mistura na gasolina em sua forma anidra. A fermentação baseada em Saccharomyces cerevisiae é a mais utilizada para produção de etanol, entretanto, o processo de fermentação com esses microorganismos requer conhecimento das características cinéticas do crescimento celular e produção de etanol para operação eficiente e efetiva na indústria. Desta forma, diversos trabalhos são reportados na literatura sobre modelagem de processo de fermentação alcoólica de açúcares, no entanto, a literatura carece de um modelo validado em condições amplas de processo que incluam de maneira sistemática e validada os efeitos térmicos e balanços energéticos envolvidos neste processo, bem como especial atenção ao processo produtivo brasileiro e suas principais características. Assim, o presente trabalho, parte de um projeto temático da FAPESP (Processo 2015/50684-9- "Sustainable gas pathways for Brazil: from microcosm to macrocosm"), propõem o estudo experimental e a modelagem matemática do processo de fermentação alcoólica em condições amplas e sistematizadas, incluindo também os efeitos térmicos e balanços de energia. O modelo será baseado em balanços macroscópicos de massa para cada um dos componentes, da cinética aparente das transformações presentes no processo e do balanço de energia. Os parâmetros do modelo cinético serão levantados em laboratório em operações em batelada isotérmicamente. As linhagens de microorganismos selecionados serão: PE-2 (linhagem referência empregada na indústria brasileira) e CEN.PK112 (linhagem diplóde oriunda da linhagem haploide, tida como referência laboratorial CEN.PK113-7D para estudos de fisiologia microbiana quantitaviva), propondo verificar e comparar as características cinéticas e operacionas obtidas em cada uma delas. Os meios utilizados simularão também a indústria brasileira, para tal, inicialmente, o trabalho propõe a adequação de meio reportado por Lino et al. (2018) para que seja completamente definido e reproduza condições encontradas no melaço. Diferentes concentrações de açúcares e células, bem como a temperatura terão sua influência no processo avaliados, objetivando verificar sua influência nos modelos cinéticos. O trabalho também propõe, de maneira inédita, a determinação experimental e avaliação dos calores de reação para produção de etanol e crescimento celular em diferentes estágios do metabolismo (respiratório, respiro-fermentativo e fermentativo). Para tanto, serão utilizados reatores para controle do processo e determinação das cargas térmicas envolvidas nessas reações.