Phenomenological study of the fed-batch reactor using two distinct fermentation processes.

O processo de batelada alimentada é útil para o estudo da cinética de processos fermentativos, pois permite a manutenção de baixos níveis de substrato por longo período de tempo, que é favorável à estimativa de parâmetros cinéticos; permite manter concentração celular constante e controlar a velocidade de crescimento em condições transientes. São as equações cinéticas que indicam como as variáveis de estado do processo em estudo interferem nas velocidades de crescimento e morte celular, de geração de produtos metabólicos e de consumo de substrato. Estudos de biorreatores de batelada alimentada têm sido freqüentemente relatados na literatura, entretanto para a modelagem destes processos necessita-se conhecer parâmetros cinéticos e informações sobre estes são escassas. A implantação do PROÁLCOOL no Brasil fez aumentar o número de destilarias. Atualmente, o processo de batelada alimentada responde por cerca de 60% do volume de etanol produzido. Outro processo fermentativo de alto valor comercial é a produção de ácido lático, uma vez que este tem grande aplicação no uso em alimentos, na área farmacêutica, de plásticos e indústria química. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi estudar duas fermentações distintas com relação à cinética de produção e entender a fenomenologia do processo de batelada alimentada. Escolheram-se dois tipos de fermentações com cinética de produção diferentes, uma alcoólica e outra lática, o primeiro com produção associada ao crescimento e o outro de produção parcialmente associada ao crescimento. Realizaram-se ensaios de fermentações em batelada para obtenção dos parâmetros cinéticos e em batelada alimentada para aplicação dos parâmetros obtidos em modelos e estes em balanço de massa do processo batelada alimentada. Em seguida, foram conduzidas simulações do processo batelada alimentada com o auxílio do software AnaBio 1.0 e ajustados os parâmetros cinéticos através de análise visual, utilizando-se dois modelos encontrados na literatura: o modelo cinético de Monod e outro também baseado em Monod com inclusão de um termo de inibição pelo produto. Estes modelos representaram visualmente os dados experimentais de forma satisfatória para a fermentação alcoólica, no entanto, somente um ajuste regular dos dados experimentais em relação aos preditos foram obtidos para fermentação lática.The fed-batch process is useful for studying of fermentation process kinetic, because it allows keeping low level of substrate for a long period, which is favorable to estimate kinetic parameters; it enables keeping a constant biomass concentration and controlling growing rate in transient conditions. The kinetic equations indicate how the process variables interfere in the cell growing rate and death, the metabolic product formation and substrate consumption. The bioreactors studies of fed-batch have been often found on specialized literature, however, its necessary to know the kinetic parameters that are not available. A very important program in Brazil, called PROALCOOL, leveraged a raise in the number of alcohol industries and 60% of ethanol assembled in this country, in the present time, use fed-batch process. Another interesting process is the production of lactic acid, which is important to food, pharmaceutical, plastic and chemical industry. Therefore the main objective of this project was to study two different fermentation processes to apply the material balance of the fed-batch reactor with determined parameters and known mathematical models. Two production kinetic fermentations were chosen, one alcoholic and another lactic. The first one is associated with the cell growth and the other is partially associated with cell growth. Some batch fermentations essays were carried out to obtain kinetics parameters and fed-batch processes were performed to study the kinetic process. Simulations of fed-batch process, running the software Anabio 1.0, were executed and the kinetic parameters fitted through visual analysis, using two known models, Monod kinetic model and Monod including inhibitory effect of product. Theses models were better visually represented by the alcoholic fermentation experimental data than lactic fermentation data. In the condition of the fed-batch assays the Monod or Monod with inhibitory effect of product inserted in the material balance do not describe these process