Modelagem e otimização da fermentação alcoólica de D-xilose por Pichia stipitis

Este trabalho de pesquisa tem como objetivo descrever através de um modelo matemático a bioprodução de etanol a partir de D-xilose, pela ação da linhagem floculante da levedura Pichia stipitis CBS 5774. Com base em dados experimentais de literatura para a fermentação alcoólica em geral, foram propostos inicialmente vários modelos matemáticos para expressar a bioconversão de D-xilose a etanol, conduzida em frascos agitados. Esses modelos expressam através de sistemas de equações diferenciais, as variações do crescimento celular, consumo de substrato e formação de etanol, ao longo do tempo.

O modelo que apresentou melhor atuação quando comparado com os dados experimentais foi denominado de Modelo Preliminar. A análise e simulação desse modelo, aplicado ao processo fermentativo em questão, definiram as coordenadas experimentais utilizadas nesse trabalho, no que diz respeito à concentração inicial de substrato e ao grau de aeração.

Os experimentos foram conduzidos em planta laboratorial, num reator com capacidade de 1,5 litros e sistemas automáticos de agitação mecânica e aeração. Os principais dados medidos nos experimentos, ao longo do tempo, e que suportaram a modelagem numérica foram: o grau de aeração do sistema e as concentrações de células, D-xilose e etanol. Esses experimentos permitiram nova parametrização do modelo, e a modificação do termo que quantifica a influência do grau de aeração na produção de etanol.

O desempenho desse novo modelo, medido através de índices auxiliares e estatístico, mostrou que o modelo representa com erros aceitáveis o fenômeno em análise. A esse modelo deu-se a denominação de Modelo Final. Com o Modelo Final procedeu-se o estudo de otimização da produtividade do processo fermentativo conduzido em diferentes configurações operacionais, que foram: contínua, batelada, batelada alimentada e batelada com alimentação cíclica. A máxima produtividade volumétrica em etanol encontrada foi para a configuração operacional do tipo batelada.

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