Orientador: Francisco Maugeri Filho

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos

Resumo: Foram realizadas fermentações contínuos da levedura Saccharomyces cerevisiae IZ 888 ruim reator multiestágio com células imobilizadas, operando a 33°C e pH entre 2,5 - 3,0. Foi utilizada a técnica de imobilização por adsorção, usando como suporte cubos de 5x5x5 mm de esponja de polietíleno...

Resumo: Foram realizadas fermentações contínuos da levedura Saccharomyces cerevisiae IZ 888 ruim reator multiestágio com células imobilizadas, operando a 33°C e pH entre 2,5 - 3,0. Foi utilizada a técnica de imobilização por adsorção, usando como suporte cubos de 5x5x5 mm de esponja de polietíleno de alta densidade, em leito empacotado. A fim de conseguir características tipo CSTR, cada reator foi dotado de uma bomba centrífuga para recirculação interna . O sistema consta de 6 reatores em serie, um decantador estagiado e de uma bomba peristáltica que permite a reciclagem de células do decantador no primeiro reator numa vazão controlada. Foi estudado o comportamento hidrodinamico das diversas configurações cios reatores através de técnica de injeção de traçador na forma de pulso e degrau, resultando uma configuração final dos reatores, com volume útil equivalente a 89% do volume do reator. Para avaliar o tempo necessário para o estabelecimento do regime estacionário, usou-se a técnica de medição de CO2 gerado, resultando num tempo de operação equivalente a 1,075 vezes o tempo de residência hidráulico do sistema. Nas fermentações contínuas utilizou-se meio semi-sintético, contendo sacarose comercial como fonte de carbono e energia, em concentração de 150 g/l. Foram estudadas os efeitos exercídos pela taxa de diluição, taxa de reciclo e taxa de aeração nos parâmetros fermentativos para células livres e imobilizadas , observando- se que os aumentos da taxa de diluição e da taxa do reciclo resultaram em aumento da produtividade de etanol, atingindo o maior valor, 5,35 (g/L-h ), para o caso de células, imobilizadas , com uma taxa de reciclo de 0,116 e uma taxa de diluição de 0,882 h-1. A taxa de aeração mostrou-se benéfica somente no intervalo de 0,01 a 0,02 VVM, no qual a produtividade aumentou 7,5%, a conversão 5, 6% e o rendimento de etanol 6,5%. Valores superiores da taxa de aeração prejudicaram o processo. Os rendimentos alcoólicos obtidos na quase totalidade dos experimentos foram altos, checando-se obter o máximo teórico possível no caso de células imobilizadas sem reciclo, em altas taxas de diluição. Foi verificada uma forte iniciação pelo etanol nas taxas específicas de crescimento celular, observando-se um ajuste satisfatório do modelo de LEVENSPIEL (eq. 4 . 21) para o caso de células livres, resultando numa cinética exclusivamente inibitória com os parâmetros µ*Máx = 0,254 h-1, n = 2,054 e Pmáx=56g/L. Foi desenvolvido um modelo cinético para sistemas heterogêneos (eq. 4.36), sendo aplicado satisfatoriamente às fermentações cora células imobilizadas, com os parâmetros K= 0,0757 h-1 e n*= 1,270. Os efeitos do tempo de residência celular, concentração de etanol e taxa de aeração na viabilidade celular foram examinados, concluindo-se que a viabilidade diminui com o tempo de residência celular e com a concentração de etanol. A aeração não mostrou-se benéfica no sentido de aumentar a viabilidade celular. Foi proposto um modelo matemático (eq. 4. 43) que permite relacionar satisfatoriamente a viabilidade celular com o tempo de residencia e a concentração de etanol, com os parâmetros d = 0,0047 e m= 0,953 . Observou-se que a imobilização passiva de células de levedura em esponja de polietileno ocorre de forma preferencial nos primeiros estágios, atingindo uma concentração de 55 g/L de massa seca no primeiro reator

Abstract: The continuous fermentation of Saccharomyces cerevisiae IZ 888 was performed in a multi-stage reactor system (6 stages) using immobilized cells. The conditions of temperature and pH were 33°C and 2.5 - 3.0 respectively. The cells were immobilized in 5mm cubes on high density reticulated...

Abstract: The continuous fermentation of Saccharomyces cerevisiae IZ 888 was performed in a multi-stage reactor system (6 stages) using immobilized cells. The conditions of temperature and pH were 33°C and 2.5 - 3.0 respectively. The cells were immobilized in 5mm cubes on high density reticulated polyethylene foam. The reactors were typically packed beds with recirculation on of the medium by means of a centrifugal pump, in order to produce CSTR - type characteristics. The system was provided with a biomass separator to return concentrated biomass to the first stage. The hydrodinamic performance of the reactors was studied by stimulus-response techniques. The reacting volume was 89% of the total volume. The time required to establish a steady state was estimated by measuring the CO2 produced, requiring a time equivalent to 1.075 times the hydraulic residence time of the system. Continuous fermentations were carried out using a semi-synthetic medium containing 150 g/L of sucrose as the carbon source. The effects of dilution, recycling and aeration rates on the fermentation parameters were studied, both in the free and immobilized cell procedures. Ethanol productivity increased with increasing dilution and recycling rates. With immobilized cells, a maximum productivity of about 5.35 (g/L-h) was achieved with recycling and dilution rates of 0,116 and 0,882 h-1 respectively. The aeration rate was only beneficial in the range from 0.01 to 0.02 VVH, within which increases of 7.5%. in ethanol productivity, 5.6% in substrate conversion and 6,5% in product yield were observed. The ethanol yields were nearly always very high. The maximum theoretical ethanol yield was obtained at high dilution rates using immobilized cells with no feed-back. Ethanol was shown to exert a highly inhibitive effect on the cellular growth rate. The process with free cells satisfactorily fitted the LEVENSPIEL model (eq. 4.21), the parameters obtained being µ*max=0,254 h-1, n*= 2.054 and Pmax=5,6g/L. A kínetic model for heterogeneous systems was developed (eq. 4.36), which could be used for fermentations with immobilized cells. The parameters obtained were: K = 0, 0757 h-1 and n* = 1.270. The effects of residence time in the system, ethanol concentration and aeration rate on ceil viability were also studied. Viability decreased with residence time and ethanol concentration, and aeration rate was not shown to improve it. A mathematical model (eq. 4.43) was developed relating viability, residence time and ethanol concentration. The passive immobilization of cells in poliethylene foam was shown to be greater during the first stage, where the cell concentration reached 55 g/L of dried biomass