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Type: TESE DIGITAL
Title: Desenvolvimento de um processo fermentativo extrativo para produção de etanol por arraste gasoso
Title Alternative: Development of an extractive fermentation process for ethanol production by gas stripping
Author: Ponce, Gustavo Henrique Santos Florês, 1985-
Advisor: Maciel, Maria Regina Wolf, 1955-
Abstract: Resumo: Após certa estagnação e perda dos incentivos da década de 70, a produção de etanol no Brasil retomou seu crescimento após a introdução dos carros bicombustíveis (flex-fuel) em 2003. O Brasil é hoje o segundo maior produtor mundial de etanol por via fermentativa, perdendo apenas para os EUA. Uma maior flexibilidade do processo é obtida quando o açúcar e o etanol são produzidos conjuntamente. Assim, o melaço de cana-de-açúcar, subproduto da fabricação do açúcar, pode ser utilizado para a produção de etanol. Acoplando o fermentador a um método de remoção contínua de inibidor, tal qual a técnica de arraste gasoso, é possível potencializar a utilização do melaço de maneira que maiores concentrações de substrato na alimentação sejam admissíveis, sem que o limiar de toxicidade do etanol no meio seja atingido. Dessa forma, utilizando-se um mosto menos diluído, é possível reduzir custos de separação (destilação, centrifugação) e de projeto, gerando, principalmente, um menor volume de resíduo (vinhaça) frente à quantidade de etanol produzida. Portanto, o objetivo deste trabalho foi desenvolver estudos em escala de laboratório de um processo fermentativo extrativo, consistindo, basicamente, de um fermentador (no qual gases seriam injetados para promover o arraste do etanol) e de um condensador, para recuperação do etanol arrastado. As etapas do trabalho consistiram na simulação computacional do processo (utilizando-se, para tanto, o software comercial Aspen Plus®), que foi útil para encontrar faixas compatíveis de utilização das variáveis; bem como a montagem do protótipo em escala de bancada. Os experimentos de fermentação em batelada, com o acoplamento do condensador, utilizaram Saccharomyces cerevisiae e melaço como substrato. O acompanhamento analítico foi realizado através de análises de açúcares redutores totais, etanol, glicerol e massa seca. Os resultados obtidos mostraram a eficácia da técnica, onde foi possível manter a concentração de etanol no caldo abaixo do limiar de toxicidade (concentrações não maiores que 60 g/L) com um consumo quase que total dos açúcares, mesmo nas mais elevadas concentrações (300 g/L). O condensado, por sua vez, apresentou-se livres de outros compostos orgânicos que não fossem o etanol, sendo que concentrações majoritariamente entre 200-250 g/L foram obtidas. Comparativamente à fermentação em batelada convencional, a técnica mostrou melhorias de produtividade (2,39 a 3,58 g/L.h chegando a um aumento de 43 % em relação à produtividade da fermentação convencional) apresentando ainda maiores taxa de consumo de substrato (5,8 a 7,87 g/L.h chegando a um aumento de 42% em relação ao consumo da fermentação convencional), resultando em um menor tempo de fermentação. Maiores concentrações de açúcares e menores vazões de gases tornaram o processo mais atrativo uma vez que, nessas condições, há menor adição de água na fermentação e um condensado mais concentrado em etanol é alcançado (seletividade variando de 5,19 a 11,34)

Abstract: After stagnation and loss of government incentives of the 70s, the ethanol production in Brazil resumed its growth after the introduction of flex-fuel cars in 2003. Brazil is now the world's second largest producer of ethanol by fermentation, second only by the US. A more flexible process is obtained when the sugar and ethanol are produced jointly. Thus, sugarcane molasses, a byproduct from sugar manufacturing, can be used for production of ethanol. Coupling the fermentor to a method for continuous inhibitor removal, such as the gas stripping technique, it is possible to enhance the use of the molasses so that higher substrate concentrations in the feed are allowable, without reaching the threshold of toxicity of ethanol in the medium. Thus the use of a less diluted sugarcane must can reduce the separation costs (distillation, centrifugation) and project, generating a smaller amount of residue (vinasse) against the amount of ethanol produced. Therefore, the objective of this study was to develop experiments of an extractive fermentation in laboratory scale, which consisted basically of a fermentor (in which gases would be injected to promote ethanol stripping) and a condenser, for recovery of the stripped ethanol. The steps of this work consisted of the computer simulation of the process (using, therefore, commercial software), which was helpful in finding compatible ranges for the use of variables and mounting the prototype in bench scale. Fermentation experiments in batch mode, with the coupling condenser, used Saccharomyces cerevisiae and molasses as substrate. The analytical monitoring was done through total reducing sugars, ethanol, glycerol and dry weight determinations. The results show the effectiveness of the technique since it was possible to keep the ethanol concentration in the broth below the threshold of toxicity (concentrations below 60 g/L) with almost total consumption of the sugars, even for the highest concentrations (300 g/L). The condensate, in turn, was free of other organic compounds, apart from ethanol, where concentrations predominantly between 200-250 g/L were obtained. Compared with conventional batch fermentation, the technique showed improvements in productivity (2.39 to 3.58 g/L.h an increment of 43 %) presented larger substrate consumption as well (5.8 to 7.87 g/L.h an increment of 42 %) in a shorter fermentation time. Higher sugar concentrations and lower gas flow rates become the process more attractive, since in these conditions, less water is added to the fermentation, and more concentrated condensate in ethanol is reached (selectivity ranging from 5.19 to 11.34)
Subject: Fermentação alcoolica
Inibição
Melaço de cana
Simulação de processos
Escoamento gasoso
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2015
Appears in Collections:FEQ - Dissertação e Tese

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