MODELAGEM DA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA INDUSTRIAL CONTÍNUA COM MÚLTIPLOS REATORES EM SÉRIE

Resumo

A modelagem nos permite prever o comportamento do processo e, posteriormente, propor melhorias, com o objetivo de obter o máximo rendimento do produto. No Brasil, o etanol é obtido, principalmente, a partir da fermentação da sacarose, presente na cana-de-açúcar. A fermentação ocorre em bioreatores e pode ser conduzida de forma contínua. Esse trabalho tem por objetivo desenvolver e simular modelos matemáticos para um processo de fermentação real, contínuo e com cinco reatores em série. Os dados experimentais foram obtidos em uma usina autônoma, localizada no município de Linhares-ES. A empresa utiliza como matéria-prima o caldo cana-de-açúcar e a levedura Saccharomyces cerevisiae. Os modelos matemáticos foram obtidos a partir da equação do balanço de massa para cada componente de interesse no reator. A integração numérica do sistema de EDOs é realizada pelo método de Runge-Kutta de 4ª ordem. O problema de otimização não linear, utilizado para encontrar os valores dos parâmetros cinéticos, é resolvido utilizando o método de otimização Simplex Nelder-Mead, implementado no software Matlab®. A concentração dos componentes no reator não foi constante, mesmo se tratando de um processo contínuo, porque o mesmo não opera no estado estacionário. Os modelos que consideraram a inibição por produto apresentaram um melhor desempenho em representar o processo de fermentação quando comparados aos modelos sem inibição.

ABSTRACT

The modeling allows us to predict the behavior of the process and then to propose improvements, with objective to obtain the maximum yield of the product. In Brazil ethanol is mainly obtained from the fermentation of sucrose, present in the sugarcane. Fermentation occurs in bioreactors and can be conducted continuously. This work has the objective to develop and to simulate mathematical models for a real continuous fermentation process,  with five reactors in series. The experimental data were obtained in an autonomous plant, located in the Linhares-ES. The company uses as raw material sugarcane juice and Saccharomyces cerevisiae yeast. The mathematical models were obtained from the equation of mass balance for each component of interest in the reactor. The numerical integration of the ODE system is performed by the fourth-order Runge-Kutta method. The nonlinear optimization problem, used to find the kinetic parameter values, is solved using the Nelder-Mead Simplex optimization method implemented in Matlab® software. The concentration of the components in the reactor wasn’t constant, even if it is a continuous process, because it doesn’t operate at steady state. The models that considers the inhibition by product, presented a better performance, in representing the fermentation process, when compared with the models without inhibition.