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Fermentação alcoólica extrativa com remoção de etanol por arraste com CO2 e recuperação por absorção
dc.contributor.author | Rodrigues, Kaio César da Silva | |
dc.date.accessioned | 2019-03-25T19:25:53Z | |
dc.date.available | 2019-03-25T19:25:53Z | |
dc.date.issued | 2019-02-28 | |
dc.identifier.citation | RODRIGUES, Kaio César da Silva. Fermentação alcoólica extrativa com remoção de etanol por arraste com CO2 e recuperação por absorção. 2019. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2019. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/11128. | * |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/11128 | |
dc.description.abstract | Ethanol removal by CO2 stripping during alcoholic fermentation is one way of overcoming the problem of inhibition by the ethanol. However, the lack of efficient methods to recover the removed ethanol still makes the use of stripping unviable. In this work, an innovative process for ethanol production was developed based on the integration of the extractive fermentation with CO2 stripping and with the recovery of ethanol by absorption. Firstly, the ethanol removal from hydro alcoholic solutions by CO2 stripping was evaluated in order to obtain a model to describe this process. Subsequently, techniques based on the combination of Fourier transform mid-infrared (FT-MIR) spectroscopy and partial least-squares (PLS) regression were developed for monitoring of the ethanol absorption and the alcoholic fermentation. In sequence, gas absorption was evaluated as a technique for the recovery of ethanol from the gas mixture generated by CO2 stripping. Water, monoethylene glycol (MEG), and diethylene glycol were evaluated in terms of their performance in ethanol absorption in order to choose the most appropriate absorbent. Subsequent assays using the best absorbent were conducted to investigate the influence of the initial MEG volume in the absorber, the recirculation volumetric flow rate of solvent, and the use of two absorbers connected in series on the absorption process. A modeling procedure was developed based on mass balance equations for the species involved (ethanol, water, CO2, and absorbent), and incorporating stripping and absorption kinetics, and vapor-liquid equilibrium concepts. A conventional fed-batch fermentation was performed in order to estimate kinetic parameters of growth for the yeast Saccharomyces cerevisiae. Lastly, extractive fermentations without CO2 recirculation (using commercial CO2) and with CO2 recirculation (using only the CO2 produced in the fermentation), integrated to ethanol recovery by absorption, were carried out using different feed substrate concentrations. The proposed CO2 stripping model considering the removal of ethanol and water was able to accurately describe the process behavior. The PLS calibration models presented excellent performance in monitoring both, absorption and fermentation. In the fermentation, the FT-MIR/PLS technique was able to provide accurate monitoring of the major components involved in the process (sucrose, glucose, fructose, ethanol, glycerol, and yeast cells). With respect to the evaluation of the absorption process, the MEG was selected as the most appropriate absorbent. The modeling developed was able to accurately describe the absorption behavior. The use of two absorbers, each with 0.80 L of MEG, enabled recovery of up to 93.1% of the ethanol from the stripping gas mixture. The integrated process of extractive fermentation with CO2 stripping and recovery by absorption without CO2 recirculation provided conversion of 300 g L-1 substrate feed, ethanol total production of 135.2 g L-1 and recovery of 91,6 % of the ethanol from the stripping gas mixture. The modelling proposed for both extractive fermentation and absorption recovery adequately described the two stages. In the integrated process with CO2 recirculation, it was possible to consume 280 g L-1 of substrate feed, producing an amount of 126 g L-1 of ethanol (57% higher than in conventional fermentation). The recovery efficiency of ethanol was 98.3%, similar to that found for distilleries considering the loss of ethanol removed by the CO2 produced in the fermenters. The alternative process proposed for ethanol production is promising and could offer improvements for the conventional process, reducing volume of vinasse and energy consumption in the distillation and, consequently, reducing overall costs. | eng |
dc.description.sponsorship | Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) | por |
dc.language.iso | por | por |
dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
dc.rights.uri | Acesso restrito | por |
dc.subject | Produção de bioetanol | por |
dc.subject | Fermentação extrativa | por |
dc.subject | Arraste gasoso com CO2 | por |
dc.subject | Recuperação de etanol | por |
dc.subject | Absorção gasosa | por |
dc.subject | Integração de processos | por |
dc.subject | Bioethanol production | eng |
dc.subject | Extractive fermentation | eng |
dc.subject | CO2 stripping | eng |
dc.subject | Ethanol recovery | eng |
dc.subject | Gas absorption | eng |
dc.subject | Processes integration | eng |
dc.title | Fermentação alcoólica extrativa com remoção de etanol por arraste com CO2 e recuperação por absorção | por |
dc.title.alternative | Extractive alcoholic fermentation with ethanol removal by CO2 stripping and recovery by absorption | eng |
dc.type | Tese | por |
dc.contributor.advisor1 | Badino Júnior, Alberto Colli | |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/6244428434217018 | por |
dc.contributor.advisor-co1 | Bernardo, André | |
dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/5705402824877708 | por |
dc.description.resumo | A remoção de etanol por arraste gasoso com CO2 durante a fermentação alcoólica é uma forma de contornar o problema de inibição pelo etanol. Contudo, a falta de métodos eficientes para recuperar o etanol removido ainda inviabiliza a aplicação desta técnica. No presente trabalho foi desenvolvido um processo inovador de produção de etanol integrando a fermentação extrativa por arraste gasoso com CO2 e a recuperação por absorção. Inicialmente, a remoção de etanol de soluções hidroalcoólicas por arraste gasoso com CO2 foi estudada com o intuito de obter um modelo para descrever o processo. Em seguida, metodologias analíticas baseadas na combinação da espectroscopia de infravermelho médio por transformada de Fourier (FT-MIR) com o método de regressão multivariada dos mínimos quadrados parciais (PLS) foram desenvolvidas para o monitoramento da absorção de etanol em glicóis e da fermentação alcoólica. Na sequência, a absorção foi avaliada como método de recuperação do etanol removido por arraste com CO2. As capacidades de absorção de etanol dos solventes água, monoetilenoglicol (MEG) e dietilenoglicol (DEG) foram avaliadas com o intuito de selecionar o absorvente mais adequado. Ensaios empregando o melhor solvente foram conduzidos para estudar as influências do volume inicial de solvente no absorvedor, da vazão volumétrica de recirculação do solvente e da utilização de um ou dois absorvedores conectados em séries sobre a absorção. Foi desenvolvido um modelo para descrever o processo baseando-se nas equações de balanço de massa para as espécies envolvidas (etanol, água, CO2, absorvente), incorporando as cinéticas de arraste gasoso e absorção e os conceitos de equilíbrio-líquido vapor. Foi também realizada uma fermentação convencional em batelada alimentada para obtenção de parâmetros cinéticos de crescimento para a levedura Saccharomyces cerevisiae. Por fim, fermentações extrativas em batelada alimentada sem recirculação de CO2 (empregando CO2 comercial) e com recirculação de CO2 (sistema fechado empregando apenas o CO2 produzido na fermentação) foram integradas à recuperação de etanol por absorção e conduzidas utilizando diferentes concentrações de substrato na alimentação. O modelo desenvolvido para o arraste gasoso com CO2, considerando a remoção de etanol e água descreveu de forma precisa o comportamento do processo. Os modelos de calibração PLS obtidos apresentaram excelente desempenho no monitoramento de ambos os processos, absorção e fermentação. No processo de fermentação, a técnica FT-MIR/PLS possibilitou monitorar precisamente as concentrações dos principais analitos envolvidos no processo (sacarose, frutose, glicose, etanol, glicerol e células). No que se refere ao estudo da absorção, o MEG foi selecionado como o absorvente mais adequado. A utilização de dois absorvedores conectados em série, contendo 0,8 L de MEG em cada, possibilitou a recuperação de 93,1% do etanol arrastado. No processo integrado de fermentação extrativa e recuperação por absorção sem recirculação de CO2, foram consumidos 300 g L-1 de substrato com produção total de etanol de 135,2 g L-1 e recuperação de 91,6% do etanol removido por arraste. A modelagem desenvolvida para ambas as etapas, fermentação extrativa e absorção, descreveu adequadamente os processos. Quanto ao processo integrado com recirculação de CO2, foi possível consumir 280 g L-1 de substrato e produzir um total de etanol de 126 g L-1 (57% maior que na fermentação convencional). A eficiência de recuperação de etanol foi de 98,3%, valor similar à encontrada em instalações industriais considerando a perda de etanol arrastado pelo CO2 produzido nas dornas. O processo alternativo de produção de etanol proposto se mostrou promissor, podendo oferecer melhorias ao processo convencional no sentido de reduzir o volume de vinhaça e o consumo energético na destilação, reduzindo os custos globais de produção de etanol. | por |
dc.publisher.initials | UFSCar | por |
dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ | por |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA | por |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA | por |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA | por |
dc.description.sponsorshipId | FAPESP: 2014/26854-9 | por |
dc.ufscar.embargo | 24 meses após a data da defesa | por |
dc.publisher.address | Câmpus São Carlos | por |
dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/8220209819669257 | por |