Avaliação de diferentes vazões específicas de alimentação (D)

O efeito da vazão específica de alimentação (D: 0,1 h-1; 0,05 h-1 e 0,025 h-1) na fermentação alcoólica contínua foi avaliada para a produção de etanol. Os resultados são mostrados nos Gráficos de 5 a 7.

Gráfico 5. Concentração celular no regime permanente (XP;), etanol (▲) e açúcar redutor total (ART;■) para D = 0,1 h-1_.

y = -0,1151x + 0,9884 R² = 0,9912 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,91 0 1 2 3 4 5 6 Ln X Tempo (h) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 120 140 C o n cen tr ação (g L -1) Tempo (horas)

Gráfico 6. Concentração celular no regime permanente (XP;), Etanol (▲) e açúcar redutor total (ART;■) para D = 0,05 h-1_.

Gráfico 7. Concentração celular no regime permanente (XP;), Etanol (▲) e açúcar redutor total (ART;■) para D = 0,0β5 h-1_.

Como se pode observar nos Gráficos de 5 a 7, foi possível a obtenção do regime permanente nos 3 valores de D empregados, indicando a adequação desses valores e da concentração de ART à velocidade de crescimento do micro-organismo.

Nos ensaios de fermentação contínua, a condição de estado estacionário foi obtida após três tempos de residência, sem qualquer tipo de problema operacional, como obstrução do tubo de retirada de caldo, crescimento na parede e mistura imperfeita. O Gráfico 5 mostra um resultado típico em termos de perfis de

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 C o n cen tr ação (g L -1) Tempo (horas) Início do regime permanente

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 120 140 C o n cen tr ação (g L -1) Tempo (horas) Início do regime permanente

concentração celular (X), concentração de glicose (S) e concentração de etanol (E). No estado estacionário (D = 0,1 h-1_{), a concentração de ART residual na saída do} reator foi de 94,21±4,49 g L-1, a concentração celular foi de 5,47±0,47 g L-1 e a concentração de etanol de 41,69±1,63 g L-1. Com a redução da vazão específica de alimentação para D = 0,05 h-1 (Gráfico 5), a concentração de glicose residual reduziu para cerca de 47,80±8,70 g L-1 e as concentrações de etanol e celular aumentaram para 45,42±3,1 g L-1 e 6,18±0,77 g L-1, respectivamente, devido ao maior tempo de residência nessa segunda condição. Reduzindo a vazão específica de alimentação para 0,025 h-1 (Gráfico 6), a concentração de etanol aumentou para 55,3±7,57 g L-1. Isso porque menor a vazão específica de alimentação, maior o tempo de contato entre as células e o açúcar, convertendo-o mais eficientemente no etanol. Esse resultado mostra que a redução da vazão específica de alimentação aumenta a produtividade em etanol.

Similarmente, Perego Jr (1979) observaram que a diminuição da vazão específica de 0,117 para 0,049 h-1 _{durante a fermentação alcoólica contínua,} menores foram os valores de ART residual, 58 g L-1 e 28 g L-1, respectivamente. Por outro lado, a concentração de etanol aumentou de 49,6 g L-1 _{para 68 g L}-1 _{e a} concentração celular reduziu de 6,7 g L-1 _{para 5,3 g L}-1_{. Esses valores diferiram do} presente trabalho devido às diferentes cepas de Saccharomyces cerevisieae bem como o melaço utilizado. O melaço, por ser um produto natural, varia de composição de acordo com o clima, solo, tempo de colheira.

Na Tabela 5 mostra que a redução da vazão específica de alimentação levou a um aumento no rendimento do processo, obtendo maior valor de 63,6 % no emprego de D igual a 0,025 h-1. O aumento na vazão específica de alimentação proporciona um aumento do fluxo de entrada de açúcar, provavelmente superior ao aumento da velocidade de consumo, levando a uma diminuição da concentração de etanol, aumento da concentração de ART residual e consequentemente, diminuição da eficiência de transformação. O rendimento representa a eficiência da fermentação alcoólica, tomando como base a equação estequiométrica de Gay-Lussac, onde a relação teórica, para 100% de eficiência de conversão de hexose em etanol, é de 0,511g de etanol produzido para cada grama de hexose consumida.

Tabela 5 - Valores de XP, ART, Etanol e Rendimento do processo, no regime permanente, para os diferentes valores de D, com ART inicial de 170 g.L-1

D

(h-1_{) (g.L}XP-1 _{) (g.L}ART-1f_{) (g.L}Ef-1 _{) (%)} η _{(g L}Px -1 _h-1_{) (g L}P-1e _h-1₎ 0,100 5,47±0,47 94,2±4,49 41,7±1,63 47,99 0,55 4,17 0,050 6,18±0,77 47,8±8,70 45,4±3,10 52,29 0,31 2,27 0,025 6,09±0,54 53,2±5,67 55,3±7,57 63,64 0,15 1,38 D: vazão específica de alimentação;

Xp: média dos valores de concentração celular ao longo do regime permanente e seus desvios padrões;

ARTf: açúcares redutores totais no caldo fermentado

Ef: oncentração de etanol no caldo fermentado

ημ Rendimento do processo Px: Produtividade em células Pe: Produtividade em etanol

Na fermentação alcoólica, vários fatores podem influenciar no rendimento do processo, ou seja, a conversão de açúcar em etanol, entre eles a concentração de açúcar e o fluxo pelo qual ele é adicionado e removido do reator (em processos contínuos), pH, concentração celular, presença de bactérias contaminantes e o tipo de processo adotado. Na indústria, o rendimento do processo é calculado baseado na concentração de açúcar total que entra no sistema fermentativo sem considerar o açúcar residual, podendo ser maior que 90 a 93% do valor teórico da conversão de glicose em etanol (INGLEDEW, 1999).

O processo de fermentação mais comumente utilizado nas destilarias do Brasil é utilizando a recuperação de leveduras através da centrifugação do vinho. Aproximadamente 90% da levedura são reutilizadas de uma fermentação para a próxima. Esta suspensão de fermento diluído e acidificado, conhecido na prática com o nome de pé-de-cuba, permanece em agitação de uma a três horas antes de retornar à dorna de fermentação, resultando em altas densidades celulares dentro do reator (10-17% p/v) e contribuindo para um tempo de fermentação curto. Isso favorece a valores de conversões teóricos de açúcares em etanol de 90 a 92% (BASSO et al., 2008), valores maiores do que os obtidos no presente trabalho (Tabela 5).

Em termos de produtividades, a Tabela 5 mostra que as máximas produtividades em células (Px) e em etanol (Pe) foram obtidas para um alto valor de D (0,1 h-1), de cerca de 0,55 g L-1 h-1 e 4,17 g L-1 h-1, respectivamente. Por outro

lado, nessas condições, o rendimento em etanol obteve menor valor (48%). Quando a taxa de diluição é alta, os açúcares são adicionados a uma velocidade mais rápida do que são consumidos, logo a perda de açúcar aumenta e a concentração de etanol reduz, diminuindo consequentemente a eficiência do processo. Como se pode observar no trabalho de Melzoch et al. (1991), a produtividade de etanol máxima foi de 15 g L-1 _h-1 _{no regime permanente com uma concentração de S. cereviseae de 46} g L-1 e concentração de etanol de 81 g L-1 em bioreator agitado continuamente com reciclo total de células utilizando a ultrafiltração.

Nas condições adotadas nessa fermentação, com ART de 170g.L-1, optou-se por aplicar D igual a 0,025 h-1, por obter um maior valor de rendimento alcoólico e gerar CO2 suficiente a ser incorporado nos cultivos de A. platensis em fotobiorreator tubular.