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Title in Portuguese: Viabilidade técnica e econômica da produção de etanol a partir do suco de caju por Saccharomyces cerevisiae floculante
Title: Technical and economic feasibility of ethanol production in cashew apple juice from Saccharomyces cerevisiae flocculant
Author: Pinheiro, Álvaro Daniel Teles
Advisor(s): Gonçalves, Luciana Rocha Barros
Co-advisor(s): Rocha, Maria Valderez Ponte
Keywords: Engenharia química
Biocombustíveis
Etanol - Produção
Suco de caju
Issue Date: 5-May-2015
Citation: PINHEIRO, A. D. T. Viabilidade técnica e econômica da produção de etanol a partir do suco de caju por Saccharomyces cerevisiae floculante. 2015. 182 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química)–Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015.
Abstract in Portuguese: Diante da conjuntura atual em que se encontra o setor energético mundial, os biocombustíveis vêm ganhando cada vez mais espaço, merecendo atenção especial o etanol, o qual apresenta demanda crescente. A partir desse cenário, o objetivo do presente trabalho foi desenvolver um bioprocesso tecnicamente e economicamente viável para produção de etanol a partir do suco de caju, utilizando levedura Saccharomyces cerevisiae (CCA008) geneticamente modificada contendo gene floculante (FLO5α). O trabalho foi dividido em 4 quatro etapas que se interligam durante todo o estudo. Na primeira etapa foi avaliada a influência da temperatura (26, 30, 34, 38 e 42°C), da concentração de inóculo (3, 5, 8 e 10 g.L-1) e da velocidade de agitação (80, 150, 300, 490, 650 e 800 rpm) para que as condições ótimas que maximizam a produção de etanol, fossem determinadas. Observou-se que os parâmetros operacionais de temperatura, concentração celular inicial, concentração de substrato e agitação exerceram influência na fermentação alcoólica do suco de caju. O melhor rendimento para o processo fermentativo (98,8 %) ocorreu quando o processo foi conduzido a 34 °C, sob agitação de 150 rpm e contendo incialmente 5 g.L-1 de células. Na segunda etapa, pretendeu-se descrever o rendimento do processo em função dos parâmetros operacionais avaliados na fermentação. Para tanto, utilizaram-se, com sucesso, modelos estatísticos para descrever a interação entre a concentração inicial de substrato, temperatura, concentração celular inicial, agitação e seus possíveis efeitos no rendimento. O modelo que melhor se ajustou aos dados experimentais foi utilizado na obtenção das condições ótimas das variáveis operacionais, indicando as seguintes condições como ótimas: concentração de substrato (S0) de 100 g.L-1, temperatura (T) igual a 34 °C, concentração de inóculo (X0) igual a 5 g.L-1 e agitação (Agit) de 140 rpm, predizendo um rendimento de 98,80 %. Na terceira etapa, realizou-se o estudo da produção de etanol nas condições ótimas, sendo as mesmas utilizadas para implementar a ampliação de escala do processo, na qual os dados obtidos em biorreator batelada de 1L foram utilizados para predizer o comportamento da fermentação em biorreator batelada de 14L, utilizando a potência por unidade de volume como parâmetro de scale-up. Utilizando tal fator como sendo de 10,67 kW/m3, foi possível calcular a potência de agitação do fermentador de volume 14 vezes maior, assim como prever qual agitação seria necessária para que a fermentação ocorresse de forma semelhante à ocorrida no fermentador de menor volume. Os resultados mostraram que o rendimento obtido no biorreator de 14L foi satisfatório, apresentando uma pequena diferença (96,56 % ± 0,3 %) para o biorreator de 14L em relação ao rendimento obtido para o de 1L (98,80 % ± 1,6 %). Como quarta e ultima etapa, avaliou-se a viabilidade técnica e econômica do processo. Analisando os resultados obtidos, é possível afirmar que o processo industrial proposto apresentou viabilidade técnica, uma vez que o valor obtido para o rendimento do processo (68 L/ton), foi próximo ao da fermentação da cana-de-açúcar (61 – 72 L/ton). Contudo, o mesmo não apresentou viabilidade econômica, uma vez que a unidade industrial proporciona um fluxo de caixa negativo (- R$ 93.840.874) ao final dos 10 anos em que foi analisado. Assim, novos estudos devem ser realizados com o intuito de tornar tal processo economicamente viável, sendo esta possibilidade observada nos vários cenários gerados na análise de sensibilidade do processo, o qual apresenta possíveis configurações economicamente viáveis.
Abstract: Given the current situation in which it is the global energy sector, biofuels have been gaining more space, earning special attention the ethanol, which has shown growing demands. From this scenario, the objective of this work was to develop a bioprocess technically and economically practicable for ethanol production from cashew apple juice, using yeast Saccharomyces cerevisiae (CCA008) genetically modified containing a flocculent gene (FLO5α). The work was divided in 4 four stages that are linked throughout the study. In the first stage was evaluated the temperature influence (26, 30, 34, 38 and 42°C), the inoculum concentration (3, 5, 8 and 10 g.L-1) and the stirring speed (80, 150, 300, 490, 650 and 800 rpm), so it could be determined the best conditions to maximize ethanol production. It was observed that the temperature operating parameter, the initial cellular concentration, substrate concentration and stirring exerted influence on the alcoholic fermentation of the cashew apple juice. The best performance to the fermentative process (98,8 %) happened when the process was conducted at 34 °C, under 150 rpm stirring and 5 g.L-1 of initially cell concentration. The second stage was intended to describe the process efficiency in face of the operation parameters evaluated in fermentation. To this end, it was successfully used statistic models to describe the interaction between the initial substrate concentration, temperature, initial cell concentration, stirring and their possible effects on the yield. The model that best fit the experimental data was used to obtain the optimum conditions from the operating variables, indicating the following conditions as great: substrate concentration (S0) of 102 g.L-1, temperature (T) at 34°C, inoculum concentration (X0) of 5 g.L-1 and stirring (Agit) of 140 rpm, predicting a 98,80 % of efficiency. In the third stage was studied ethanol production in optimum conditions, being used to implement the scale up process, in which the data obtained in a 1L bioreactor batch were used to predict the fermentation behavior in a 14L bioreactor batch, using the volumetric power consumption as a parameter to scale-up. Using this factor as being of 10,67 kW/m3, it was possible to calculate the fermenter stirring power in a 14 times bigger volume, as well as foresee which stirring would be necessary so the fermentation can occur, similarly as in the lower volume fermenter. Results showed that yield from the 14L bioreactor were satisfactory, having a small difference (96,56 % ± 0,3 %) between yield from the 1L bioreactor (98,80 % ± 1,6 %). The fourth and last stage was rated the technical and economic viability of the process. Analyzing results, it is possible to say the industrial process here proponed has shown technical viability, since the value obtained for the process yield (68 L/ton), was close to sugar cane fermentation (61 – 72 L/ton). However, it did not show economic viability since the industrial unity provides negative cash flow (- R$ 93.840.874) in the end of 10 years that was analyzed. So, new studies must be conducted in order to make this process economically viable, this possibility being observed in various scenarios generated in analyzing the sensibility of process, which presents possible economically viable settings.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/14589
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