Remoção de calor e controle de temperatura da fermentação alcoólica extrativa empregando CO₂

dc.contributor.advisor-co1Badino, Alberto Colli
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6244428434217018por
dc.contributor.advisor-co1orcidhttps://orcid.org/0000-0001-8350-9846por
dc.contributor.advisor1Cruz, Antonio José Gonçalves da
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1812806190521028por
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0001-6830-9512por
dc.contributor.authorCampos, Brenda Gomes
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/2450752404711741por
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0001-8317-9103por
dc.date.accessioned2024-11-18T13:43:43Z
dc.date.available2024-11-18T13:43:43Z
dc.date.issued2024-09-26
dc.description.abstractBrazil is the world’s largest producer of sugarcane ethanol. However, alcoholic fermentation still faces significant challenges, such as the inhibitory effect of ethanol and the difficulty in temperature control. Extractive fermentation with carbon dioxide (CO₂) stripping has shown promise, as it allows for the use of more concentrated sugar musts, resulting in a higher total ethanol concentration. This process also facilitates the removal of heat generated by the yeasts. In this context, the present work proposes an innovative approach by investigating temperature control through the manipulation of CO₂ volumetric flow rates in extractive fed-batch fermentations. A mathematical model of the process was developed, and simulations were performed to identify ideal flow rate values that would maintain a constant broth fermentation temperature throughout the process. The following control strategies were investigated: 1) Feedback control using an on/off controller in closed loop, adjusting the CO₂ flow rate to maintain fermentation temperature at 34 °C; 2) Optimization of CO₂ volumetric flow rates (one flow rate per subinterval), by dividing the stripping interval into different subintervals (1, 2, 4, 8, 16, and 32), in simulated fermentations at temperatures of 30, 32, and 34 °C; and 3) Optimization of CO₂ volumetric flow rates inspired by model predictive control. Experimental results confirmed the effectiveness of the proposed strategies. In the first strategy, the temperature was maintained close to the desired value (34 °C) using a constant CO₂ flow rate of 12 L/min. In the second strategy, the temperature deviation was 0.5 °C, using eight optimal CO₂ flow rates. In the third strategy, the temperature was maintained at 35 °C with a deviation of less than 1 °C, employing 84 CO₂ flow rates values. This final strategy resulted in the lowest total CO₂ amount, with a reduction of approximately 14.7% compared to the others. The approach demonstrated that the use of CO₂ is effective in removing heat generated during the process and in temperature control, overcoming one of the limitations of fermentation, especially in units located in hot climates. Additionally, this approach may reduce or even eliminate the need for water for cooling fermentation vats.eng
dc.description.resumoO Brasil é o maior produtor mundial de etanol de cana-de-açúcar. No entanto, a fermentação alcoólica ainda enfrenta desafios significativos, como o efeito inibitório do etanol e a dificuldade no controle da temperatura da dorna de fermentação. A fermentação extrativa com arraste de etanol por dióxido de carbono (CO₂) tem se mostrado promissora, pois permite o uso de mostos mais concentrados em açúcar, resultando em maior concentração total de etanol. Esse processo também possibilita a remoção do calor gerado pelas leveduras. Neste contexto, a presente tese de doutorado propôs uma abordagem inovadora ao avaliar o controle da temperatura da dorna por meio da manipulação da vazão volumétrica de alimentação de CO₂ a fermentação alcoólica extrativa em batelada alimentada. Foi desenvolvido um modelo matemático do processo e simulações foram realizadas para identificar valores ideais de vazões volumétricas de CO₂ que mantivessem a temperatura do caldo de fermentação constante ao longo do processo. As seguintes estratégias de controle foram investigadas: 1) Controle por realimentação (feedback control) utilizando o controlador on/off em malha fechada, manipulando a vazão volumétrica de CO₂ para manter a temperatura da fermentação em 34 °C; 2) Otimização dos valores das vazões volumétricas de CO₂ (uma vazão por subintervalo), dividindo o intervalo de stripping em diferentes subintervalos (1, 2, 4, 8, 16, e 32), em fermentações simuladas nas temperaturas de 30, 32 e 34 °C; e 3) Otimização das vazões volumétricas de CO₂ inspirada em controle preditivo baseado em modelo. Os resultados experimentais confirmaram a eficácia das estratégias propostas. Na primeira estratégia, a temperatura foi mantida próxima do valor desejado (34 °C), com uma vazão constante de CO₂ de 12 L/min. Na segunda estratégia, utilizando oito valores ótimos de vazões volumétricas de CO₂, a temperatura apresentou um desvio de 0,5 °C em relação ao valor do set-point. Na terceira estratégia, a temperatura foi mantida a 35 °C com um desvio menor que 1 °C, empregando 84 valores de vazões volumétricas de CO₂. Essa última estratégia resultou no menor volume total de CO₂, com uma redução aproximada de 14,7% em comparação com as demais. A abordagem demonstrou que o uso de CO₂ é eficaz na remoção do calor gerado ao longo do processo e no controle de temperatura, superando uma das limitações da fermentação industrial, especialmente em unidades localizadas em regiões de clima quente. Além disso, essa abordagem pode reduzir ou até mesmo eliminar a necessidade de água para o resfriamento das dornas de fermentação.por
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)por
dc.description.sponsorshipId88887.503253/2020-00por
dc.identifier.citationCAMPOS, Brenda Gomes. Remoção de calor e controle de temperatura da fermentação alcoólica extrativa empregando CO₂. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21005.por
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21005
dc.language.isoporpor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.publisher.addressCampus São Carlospor
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQpor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/br/*
dc.subjectFermentação alcoólicapor
dc.subjectDióxido de carbonopor
dc.subjectControle de temperaturapor
dc.subjectModelagem matemáticapor
dc.subjectOtimização da vazão de CO₂por
dc.subjectFermentação extrativapor
dc.subjectEthanol fermentationeng
dc.subjectCarbon dioxideeng
dc.subjectTemperature controleng
dc.subjectMathematical modelingeng
dc.subjectCO₂ flow rate optimizationeng
dc.subjectExtractive fermentationeng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICApor
dc.titleRemoção de calor e controle de temperatura da fermentação alcoólica extrativa empregando CO₂por
dc.title.alternativeHeat Removal and Temperature Control in Extractive Alcoholic Fermentation using CO₂eng
dc.typeTesepor

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