UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

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Projeto de Engenharia Bioquímica

Modelagem matemática do processo de produção de etanol

por Saccharomyces cerevisiae a partir de glicose

Discentes:  Enylson Xavier Ramalho

Vívian Tomasco Andrade

Docentes:   Francisco Maugeri Filho

Marcus Bruno Soares Forte

Rosana Goldbeck

Rafael Ramos de Andrade

CAMPINAS

2021

SUMÁRIO

1.        INTRODUÇÃO        3

2.        REVISÃO BIBLIOGRÁFICA        4

2.1.        Etanol        4

2.2 Fermentação alcoólica        5

2.3 Saccharomyces cerevisiae        7

2.4 Processo fermentativo industrial        8

2.5 Cinética da fermentação alcoólica        9

2.5.1 Fatores que afetam a cinética da fermentação alcoólica        11

2.6 Modelagem matemática do crescimento microbiano na fermentação alcoólica        12

3.        DESENVOLVIMENTO DA MODELAGEM MATEMÁTICA        15

3.1.        Dados da fermentação        15

3.2.        Modelos matemáticos propostos        16

3.3.        Determinação inicial dos parâmetros        18

3.4.        Ajuste dos parâmetros dos modelos cinéticos        20

4.        CONCLUSÃO        22

REFERÊNCIAS BIBLIORÁFICAS        23

1. INTRODUÇÃO

A fermentação dos mais variados alimentos como fonte de nutrientes para a produção de álcool por leveduras naturalmente presentes nessas matrizes é um processo historicamente explorado pela humanidade com a finalidade de produzir bebidas alcoólicas com características sensoriais melhoradas. Atualmente, no entanto, com o avanço do conhecimento sobre o processo, os produtores de bebidas como cerveja e vinho buscam selecionar as leveduras e as demais matérias primas de acordo com as características desejadas para o produto, tornando-o cada vez mais diversos e rentável (DUSSAP; POUGHON, 2017).

Além da produção de bebidas alcoólicas, nos últimos anos tem-se voltado a atenção à exploração da fermentação alcoólica para a produção de etanol combustível a partir de fontes vegetais como a cana de açúcar e o milho. O consumo de etanol foi amplamente impulsionado por problemas ambientais como a emissão de gases e fenômenos climáticos como o efeito estufa, pela preocupação com a segurança energética, em virtude do esgotamento das fontes de petróleo e gás, mas também pela necessidade de se reestruturar e garantir novas oportunidades para a agricultura local. Nesse sentido, países como Brasil e Estados Unidos se destacam mundialmente quanto aos investimentos e a representatividade desse setor (LOPES et al., 2016).

Dessa forma, o mercado do bioetanol pode ser segmentado em automotivo e transporte, alimentos e bebidas, farmacêutico, cosméticos e cuidados pessoais e outras aplicações, sendo o setor automotivo o maior representante. A produção mundial estimada em 2020 foi de 100 bilhões de litros, apresentando uma tendência de crescimento até 2026. Porém o cenário da pandemia de COVID-19 afetou diretamente esse mercado pela redução do uso dos veículos, principalmente em regiões e períodos em que houve lockdown (MORDOR INTELLIGENCE, 2021).

Hoje em dia, as novas tecnologias estão disponíveis para produzir etanol a partir de cana de açúcar, milho e outras matérias-primas, como os materiais lignocelulósicos residuais de culturas vegetais para a obtenção de etanol de segunda geração. Existem ainda grandes oportunidades de pesquisas tanto de genômica, metabolômica e proteômica, quanto de cinética desse processo com o objetivo de otimizar a sua produtividade, reduzir os custos e selecionar linhagens de leveduras mais robustas e personalizado para cada destilaria. Para tanto, são necessários cada vez mais investimentos em pesquisa, desenvolvimento e transferência de tecnologia entre a academia e as indústrias (LOPES et al., 2016).

Levando em conta as tendências comentadas para o setor de produção de etanol, este trabalho tem como objetivo geral desenvolver um modelo matemático que descreva a cinética de fermentação alcoólica a partir de glicose. Para se alcançar esse objetivo a modelagem da cinética de fermentação alcoólica foi realizada utilizando um modelo matemático existente. Para ajuste do modelo, utilizou-se uma sub-rotina de otimização desenvolvida em Compaq Visual Fortran versão 6.6.

1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

1. Etanol

Os álcoois são compostos orgânicos que possuem um ou mais grupos hidroxila ligados a carbonos saturados. O representante mais conhecido desse grupo é o etanol (Figura 1) que possui uma hidroxila ligada a uma cadeia de dois átomos de carbono. Em condições normais, o etanol é um líquido transparente, incolor e muito volátil (IUPAC, 2019)

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Figura 1. Fórmula estrutural do etanol (álcool etílico)

O etanol pode ser obtido por duas vias: a química e a microbiológica. A síntese química do etanol é baseada na hidratação do etileno, enquanto a via de produção do bioetanol é baseada na fermentação da glicose por linhagens de leveduras Saccharomyces cerevisiae. Essa última é a mais utilizada em todo o mundo e, apesar de apresentar menor rendimento, é mais estável, limpa e economicamente viável (LOPES et al., 2016).

A produção de bioetanol para uso automobilístico foi impulsionada pela crise do petróleo na década de 70. O Brasil se destaca nesse momento histórico com o programa governamental “Proálcool” com o objetivo de reduzir a dependência das importações de petróleo. Muitas soluções foram desenvolvidas, desde a adição de álcool à gasolina até o desenvolvimento dos “carros flex” já no século XXI, permitindo a escolha, pelo consumidor, do melhor e mais barato combustível (LOPES et al., 2016).