Modelagem e simulação do processo de fermentação alcoólica da indústria sucroalcooleira

Autores

  • Emerson Rodrigues Costa Universidade Federal Rural de Pernambuco - Unidade Acadêmica de Garanhuns
  • Marteson Cristiano Dos Santos Camelo Universidade Federal Rural de Pernambuco - Unidade Acadêmica de Garanhuns
  • André Felipe de Melo Sales Santos Universidade Federal Rural de Pernambuco - Unidade Acadêmica de Garanhuns
  • Andréa Galindo Carneiro Rosal Universidade Federal Rural de Pernambuco - Unidade Acadêmica de Garanhuns

Palavras-chave:

Mathematical modeling, Alcoholic fermentation, Ethanol production, Computational simulation,

Resumo

O etanol é um biocombustível oriundo do processo de fermentação alcoólica do caldo de cana-de-açúcar. As leveduras responsáveis pela fermentação alcoólica são as Saccharomyces cerevisae, e diversos estudos são realizados para melhorar o conhecimento desse processo. Um desses estudos é a aplicação da modelagem matemática, nas quais são avaliadas o efeito das concentrações de substratos, células e produtos gerados podem influenciar no processo. Objetivou-se neste trabalho o desenvolvimento de um modelo matemático e simulação computacional para a fermentação alcoólica de uma usina sucroalcooleira de grande porte. A modelagem cinética foi capaz de descrever as condições como substrato limitante, inibição pelo substrato e inibição linear pelo produto, sendo o modelo capaz de prever as concentrações de substrato e produto, com média de margem de erro entre os estágios de 38,32% e 4,79%, respectivamente. A modelagem cinética levou consideração a variação da concentração de células, os modelos cinéticos não foram capazes de se adequar e prever o processo em função da concentração de leveduras ao longo dos estágios de fermentação.

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Biografia do Autor

Emerson Rodrigues Costa, Universidade Federal Rural de Pernambuco - Unidade Acadêmica de Garanhuns

Emerson Rodrigues Costa é atualmente graduado em Bacharelado em Engenharia de Alimentos, formado pela Universidade Federal Rural de Pernambuco - Unidade Acadêmica de Garanhuns, onde durante a formação desempenhou atividades com monitoria nas disciplinas de Matemática A e Matemática B durante 3 semestres, desempenhou atividades relacionadas à programa de tutoria nas disciplinas de Introdução à Lógica Matemática e Álgebra Linear durante um semestre. Em seu trabalho de conclusão de curso, desenvolveu atividade no ramo de produção de etanol, ajustando e aplicando modelos matemáticos capaz de simular computacionalmente a etapa de fermentação alcoólica do processo.

Marteson Cristiano Dos Santos Camelo, Universidade Federal Rural de Pernambuco - Unidade Acadêmica de Garanhuns

Possui graduação em Engenharia química pela Universidade Federal de Pernambuco (2009), mestrado em Engenharia Química pela Universidade Federal de Pernambuco (2012) e doutorado em Doutorado em Engenharia Química pela Universidade Federal de Pernambuco (2016). Atualmente é professor Adjunto I da Universidade Federal Rural de Pernambuco, no curso de engenharia de Alimentos, lecionando as disciplinas de: Fenômenos de Transporte, Termodinâmica e Mecânica e Resistência dos Materiais. Tem experiência na área de Engenharia Química, com ênfase em Petróleo e Petroquímica, atuando principalmente nos seguintes temas: hidrotratamento de diesel, modelagem e simulação de processos, etanol e inferência.

André Felipe de Melo Sales Santos, Universidade Federal Rural de Pernambuco - Unidade Acadêmica de Garanhuns

Graduado em Engenharia Química pela Universidade Federal de Pernambuco (2000), Mestre (2003) e Doutor (2009) em Engenharia Civil e pós-Doutor (2017) em Engenharia Química pela Universidade Federal de Pernambuco. Atua na área de Engenharia Química, Sanitária e Ambiental, com foco na valorização e aproveitamento energético de efluentes, biomassas, resíduos industriais e agroindustriais, produção, otimização e tratamento de biogás, bioenergia, técnicas de tratamento de efluentes convencionais e avançados, mudanças climáticas, biodigestão anaeróbia, biorremediação, recuperação de solos e remediação de áreas degradadas. Possui experiência no scale up de projetos de valorização energética de efluentes, biomassas e resíduos agroindustriais, projeto, construção e operação de reatores anaeróbios (UASB, IC, EGSB) em escala laboratorial, piloto e real. Atua na área ambiental, em projetos e em consultorias desde 1998, possuindo experiência em indústrias de grande porte como engenheiro de processo (coordenador), Engenheiro Sênior e Engenheiro Sênior Pesquisador nas áreas de atuação, bem como em PD&I com viés de obtenção de patentes de processos e equipamentos. Atualmente é professor Adjunto da Universidade Federal Rural de Pernambuco (UFRPE) do Departamento de Engenharia de Alimentos, ministrante de disciplinas relacionadas ao meio ambiente como: Tratamento de efluentes industriais, Tratamento de resíduos industriais, Tratamento de água para fins de Uso e Reuso Industriais e Ciências Ambientais. Também é membro colaborador da pós-graduação em Engenharia Química da UFPE, do Departamento de Tecnologia Rural da UFRPE e revisor de 5 periódicos.

Andréa Galindo Carneiro Rosal, Universidade Federal Rural de Pernambuco - Unidade Acadêmica de Garanhuns

Possui graduação em Engenharia Quimica pela Universidade Federal de Pernambuco (2005), Mestrado em Engenharia Química pela Universidade Federal de Pernambuco (2008) e Doutorado em Engenharia Química pela Universidade Federal de Pernambuco (2013). Atualmente é Professora do curso de Engenharia de Alimentos da Unidade Acadêmica de Garanhuns, Universidade Federal Rural de Pernambuco. Trabalha com pesquisa relacionada ao desenvolvimento de modelos matemáticos. Tem experiência na área de Engenharia de Processos, atuando principalmente nos seguintes temas: processos de refino de petróleo, gaseificação de biomassa, eficiência energética dos processos de geração de vapor e energia, secagem de alimentos.

Referências

AGUIRRE, L. A. Introdução à identificação de sistemas: técnicas lineares e não lineares a sistemas reais, Belo Horizonte: Editora UFMG, p. 659. 2004.

BECKER, A. J.; SILVA, D. M. I.; DIAS, F. H. S.; PINHEIRO, L. K. Noções Básicas em Programação em MATLAB, Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria – RS, 2010.

COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO. Acompanhamento da safra brasileira de cana-de-açúcar, v.5, Safra 2018/2019. Brasília: CONAB. 2018.

DOURADO, A.; GOMA, G.; ALBUQUERQUE, U.; SEVELY, Y. Modeling and Statistic Optimization of the Ethanol Production in a Cascate Reactor I Modeling. Biotechnology and Bioengineering, New York, v.29, n.2, p. 187-194, 1987.

GHOSE, T. K.; TYAGI, R. D. Rapid Ethanol Fermentation of Cellulose Hydrolysate. II Product and Substrate Inhibition and Optimization of Fermentor Design. Biotechnology and Bioengineering, New York, v.21, p. 1401-1420, 1979.

GNANSOUNOU, E.; DAURIAT, A. Ethanol fuel from biomass: A review. Journal Scientific Industrial Research, v. 64, p. 809-822, 2005.

HENDLER, B. Construção de um software de simulação e modelagem para processo de fermentação alcoólica em batelada alimentada, considerando diauxia para a glicose e a frutose. Tese (Mestrado) – Faculdade de Engenharia Química, Universidade Estadual de Campinas, 2011.

HIRA, A.; OLIVEIRA, L. G. No substitute for oil? How Brazil developed its ethanol industry. Energy Policy, v. 37. p. 2450-2456. 2009.

KLOPFENSTEIN, R. W. Numerical diferentiation formulas for stiff systems of ordinary diferential equations. RCA Review, p. 447. 1971.

LEE, J. H.; PAGAN, R. J.; ROGERS, P. L. Continuous simultaneous saccharification and fermentation of starch using Zimomonas mobilis. Biotechnology and Bioengineering, New York, v.25, p. 659-669, 1983.

LEVENSPIEL, O. The Monod Equation. A Revisit and a Generalization to Product Inhibition Situation. Biotechnology and Bioengineering, New York, v. 22, p. 1671-1687, 1980.

LOBATO, F. S. Controle ótimo da fermentação alcoólica em reator batelada alimentada usando computação bio-inspirada. Tendências em Matemática Básica e Computacional, v. 1, p. 3-15, 2015.

LOBATO F. S., SANTOS K. G. & MURATA, V. V. Controle on-off de um Fermentador Batelada Alimentada para Altas Concentrações de Substrato. 6° Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica. 2005.

LUO, L.; VOET, E.; HUPPER, G. Life cycle assessment and life cycle costing of bioethanol from sugarcane in Brazil. Renewable and Sustanaible Energy Reviews, v. 13, p. 1613-1619. 2009.

MARTINS, M. A. F. Modelagem, simulação e controle de sistemas dinâmicos contínuos usando o ambiente de simulação Simulink. Dissertação de mestrado. Universidade Federal da Bahia – Escola Politécnica. Salvador – BA. 2009.

PACHECO, T. F. Produção de Etanol: Primeira ou segunda geração? Circular técnica. ISSN 2177 – 4420. Ed. 04. Brasilia – DF. 2011.

PATERNINA, L. M. C. Modelagem e simulação do processo de fermentação extrativa a vácuo com uma câmara de flash e separação de CO2 utilizando uma coluna de absorção. Dissertação de mestrado. Universidade Estadual de Campinas – Faculdade de Engenharia Química. Campinas – SP. 2011.

PORTO, L. M. Modelagem de processo industrial de fermentação alcoólica contínua com reatores de mistura ligados em série. Tese de Doutorado. Universidade Estadual de Campinas. Campinas – SP. 2005.

SHAMPINE, L. F.; BACA L. S. Error estimators for stiff diferential equations. J. Comp. Appl. Math., p. 197. 1984.

SILVA M. B.; OLIVEIRA, D. S. Modelagem e simulação da produção de etanol via fermentação alcoólica da glicose. Unoesc & Ciência - ACET Joaçaba, v. 8, n. 2, p. 119-128. 2017.

SOUZA, C. S. Avaliação da produção de etanol em temperaturas elevadas por linhagem de S. Cerevisiae. Tese. Universidade de São Paulo/Instituto Butantan/IPT. 2009.

SUHAIMI, S. N. et al. Bioconversion of glycerol for bioethanol production using isolated Escherichia coli SS1. Brazilian Journal of Microbiology, v. 43, i. 2, p. 506-516, 2012.

TOSETTO, G. M. Influência da matéria-prima no comportamento cinético de levedura na produção de Etanol. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Estadual de Campinas, Campinas-SP. p. 82. 2002.

VELOSO, I. I. K. Modelagem e otimização da fermentação alcoólica em batelada alimentada a baixa temperatura. Dissertação de mestrado. Universidade Federal de São Carlos – Departamento de Engenharia Química. São Carlos – SP. 2019.

VILELA, P. R. C. Modelagem, simulação e otimização dinâmica aplicada a um processo de fermentação alcoólica em batelada alimentada. Dissertação. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. São Carlos. 2015.

ZANARDI, M. S.; JUNIOR, E. F. C. Modelagem da fermentação alcoólica industrial contínua com múltiplos reatores. E-xacta. Belo Horizonte – MG. v. 11. n. 1. ISSN – 1984-3151. 2018.

ZANARDI, M. S. Modelagem e simulação da fermentação alcoólica em batelada e contínua com múltiplos reatores em séria. Dissertação de mestrado. Universidade Federal do Espirito Santo – Centro de Ciências Agrárias. Alegre – ES. 2016

ZILIOLI, E. Composição química e propriedades funcionais no processamento de vinagres. Faculdade de Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas. Campinas, SP. 2011.

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Publicado

2019-12-27

Como Citar

Rodrigues Costa, E., Dos Santos Camelo, M. C., de Melo Sales Santos, A. F., & Galindo Carneiro Rosal, A. (2019). Modelagem e simulação do processo de fermentação alcoólica da indústria sucroalcooleira. Revista Geama, 5(3), 29–39. Recuperado de http://journals.ufrpe.br/index.php/geama/article/view/2810

Edição

Seção

ARTIGOS