Modeling and optimization of fed-batch ethanol fermentation at low temperature

The effect of product inhibition on yeast hinders the production of wine with ethanol concentration above 80.0 g L-1 (~10 °GL) in the industrial ethanol production process commonly performed at 34 °C. Lowering the fermentation temperature is a way to produce wines with higher ethanol contents. In this work, batch fermentations were carried out at temperatures of 28, 30, 32, and 34 °C, with initial substrate concentration of 180.0 g L-1, using industrial yeast under conditions reproducing those found in Brazilian distilleries. The Andrews-Levenspiel hybrid kinetic model, considering viable cells, showed an excellent fit to the experimental data. The model kinetic parameters were used to simulate and optimize fed-batch fermentations at different temperatures, resulting in satisfactory descriptions of the process behaviors. A new optimization strategy to obtain the maximum possible ethanol production, based on the CEmax parameter of the Andrews-Levenspiel kinetic model (Maximum concentration of ethanol after which cell growth ceased), provided ethanol production of up to 134.7 g L-1 (17.1 °GL) at 28 ºC and 305.4 g L-1 substrate. A modification was made to the Andrews-Levenspiel kinetic model, relating the parameter “n” (dimensionless constant related to the toxic potential of the product) to the final ethanol concentration (CEf), in order to enable the model to describe the behavior of fed-batch fermentations performed with high substrate concentration and at temperatures from 28 to 34 ºC. In addition, simulations were carried out with high initial cell concentration to verify the increase of process productivity. The results showed that the original model presented limitations to represent process behavior with high cell concentration in the inoculum, being necessary a readjustment of the model to the experimental data obtaining new values for the kinetic parameters.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)O efeito da inibição pelo produto sobre a levedura dificulta a obtenção de vinhos com concentração de etanol acima de 80,0 g.L-1 (~ 10 °GL) no processo industrial de produção de etanol comumente realizado em temperaturas próximas a 34 °C. Diminuir a temperatura do caldo de fermentação é uma alternativa para se obter vinhos com maior teor de etanol. Neste trabalho, fermentações em batelada foram realizadas nas temperaturas de 28, 30, 32 e 34 °C, com concentração inicial de substrato 180,0 g.L-1, utilizando levedura industrial sob condições operacionais próximas às aplicadas em destilarias brasileiras. O modelo cinético híbrido de Andrews-Levenspiel considerando células viáveis apresentou excelente ajuste aos dados experimentais das fermentações em batelada. Os parâmetros cinéticos do modelo foram utilizados para simular e otimizar fermentações conduzidas em batelada alimentada em diferentes temperaturas, resultando em descrições satisfatórias dos comportamentos do processo. Uma estratégia de otimização para obter a máxima produção possível de etanol baseada no parâmetro CEmax (concentração máxima de etanol a partir da qual cessa o crescimento celular) do modelo de Andrews-Levenspiel proporcionou a obtenção de concentrações de etanol de até 134,7 g.L-1 (17,1 °GL) a 28 ºC com alimentação de 305,4 g.L-1 de substrato. Uma modificação foi realizada no modelo de Andrews-Levenspiel, relacionando o parâmetro “n” (constante adimensional relacionada ao potencial tóxico do produto) com a concentração final de etanol (CEf) no vinho, para permitir que o modelo pudesse descrever o comportamento de fermentações em batelada alimentada com alta concentração de substrato na faixa de temperatura de 28 a 34 ºC. Adicionalmente, foram realizadas simulações com elevada concentração celular inicial para avaliar a produtividade do processo. A realização dos experimentos mostrou que o modelo original apresentou limitações para representar condições com elevada concentração de células do inóculo, sendo necessário um reajuste do modelo aos dados experimentais com obtenção de novos valores para os parâmetros cinéticos.CNPq:131780/2018-