Modelagem matemática e simulação da fermentação alcoólica do mosto misto a partir do hidrolisado de milho e de caldo de cana-de-açúcar. .

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Pires, Lucas de Almeida Nobre
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Alcoholic fermentation; Fermentação alcoólica; Mathematical modeling; Mixed mash; Modelagem matemática; Mosto misto; Simulação; Simulation
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-02122024-105711/

A busca por fontes energéticas que sejam economicamente e ambientalmente viáveis incentiva o desenvolvimento de novas vias para a produção de combustíveis renováveis, como a produção de etanol por fermentação alcoólica de biomassas. Convencionalmente, a produção industrial de etanol é realizada a partir de um meio de cultivo formulado exclusivamente por milho ou cana-de-açúcar devido à disponibilidade e à produtividade por hectare e da ação fermentativa da levedura Saccharomyces cerevisiae, microrganismos capazes de converter os açúcares presentes no meio de cultivo em etanol e outros metabólitos. Uma alternativa em potencial foi apresentada ao formular um meio de cultivo com uma mistura de milho e cana-de-açúcar a fim de incorporar as vantagens de cada matéria-prima no processo. Foi reportado que essa mistura pode dispensar o uso de fonte de energia externa através da queima de bagaço de cana, além de reduzir o consumo de enzimas e de água, enquanto aumenta a produtividade em etanol. Porém, entender as relações entre microrganismos e o meio de cultivo é bastante complexo. Diante desse contexto, o presente trabalho teve como objetivo aplicar um modelo matemático nãoestruturado e não-segregado capaz de descrever o processo de fermentação alcoólica de mosto misto formulado a partir do hidrolisado de milho e do caldo de cana-de-açúcar, esta mistura de biomassas poderá agregar a autossuficiência energética para indústria a partir do bagaço da cana e destinar o superávit de produção de milho da Região Centro-Oeste do Brasil. Assim, foram realizados cultivos em monocultura com a cepa de Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red® em diferentes temperaturas (28, 30 e 32 ºC), e também foram aplicados os dados de cultivo em cocultura a 32 ºC, com inóculo de bactérias ácido láticas de metabolismo hetero- e homofermentativa (Lactobacillus fermentum e Lactobacillus plantarum, respectivamente) realizadas por Buzelli (2022). Para alcançar este objetivo, o mosto misto foi formulado em função dos açúcares redutores totais equivalentes (ARTeq) na proporção 80/20 (milho/cana), onde 80% foram de hidrolisado de milho e 20% do caldo de cana-de-açúcar, com a adição dos nutrientes sulfato de amônio e sulfato de magnésio. Os resultados obtidos em monocultura foram a inversão da sacarose em 4 horas e o esgotamento dos açúcares em até 14 horas de cultivo, em consequência formaram-se 6,5 g L-1 de glicerol em todas as temperaturas e uma faixa de 48,2 a 53,7 g L-1 de etanol à medida que a temperatura do cultivo aumentava. Assim, o modelo aplicado e validado foi capaz de descrever adequadamente o crescimento celular, o consumo de açúcares (glicose e frutose), a hidrólise da sacarose pela enzima invertase e a formação de glicerol e etanol. A qualidade do modelo em monocultura obteve 26% de Desvio Padrão Residual (RSD) médio, mas chegou a 12% de RSD médio para o etanol produzido. Ao avaliar com os dados de cultivo controle usados na etapa de validação do modelo, foi obtido RSD de 8% para etanol. No cultivo em cocultura, novos parâmetros cinéticos foram implementados para representar a morte celular pela presença de lactato e acetato, partindo da premissa que ambos foram produzidos exclusivamente pelas bactérias. Diante disso, notou-se nas simulações que as leveduras possuem maior sensibilidade ao lactato, em comparação ao acetato, resultando em uma queda de até 9 % na formação de etanol, próximo aos 6% de perda comparados aos dados do cultivo a 32 ºC. Portanto, a comparação dos parâmetros cinéticos calculados para cada condição testada fornece uma melhor compreensão de como as leveduras reagem ao meio para a produção de etanol, sendo útil na otimização de processos fermentativos. Por fim, nas condições simuladas pelo modelo, a proporção entre milho e cana-de-açúcar entre 60/40 e 30/70 (milho/cana) tem o potencial de atingir uma concentração final de etanol de até 66 g L-1 em 15 horas de cultivo, o que indica que a incorporação das biomassas é benéfica ao processo fermentativo. Como conclusão, observa-se que a modelagem matemática da fermentação de mosto misto é uma poderosa ferramenta para buscar a otimização do processo industrial.