Modelagem, simulação e controle de fermentação alcoolica continua extrativa

Resumo: O processo de fermentação alcoólica convencional é caracteristicamente inibitório, porque o álcool etílico produzido inibe as células de leveduras, afetando negativamente no rendimento e na produtividade do processo. Este trabalho têm como objetivos propor um processo de fermentação alcoólica contínua conectado a um sistema de extração (tanque flash a vácuo) e a aplicação da estratégia de um controle avançado. A modelagem do processo baseou-se em cinética fermentativa ebalanços de massa e energia. Estudou-se a otimização da fermentação alcoólica extrativa, através de simulação em computador e uso do método baseado em planejamento fatorial e posterior análise de superfície de resposta. Através dos modelos matemáticos empíricos obtidos e análise das superfícies de resposta foi possível otimizar o processo para uma conversão de 99,2% dos açúcares do meio de alimentação e uma produtividade de 21,0g/l h. Este valor de produtividade é 166% superior ao alcançado pelo processo contínuo convencional. Através do estudo dinâmico do processo foi possível verificar que em condições otimizadas de operação, a concentração de álcool no reator e a temperatura estabilizam-se emníveis desejados, indicando que a operação do processo otimizado apresenta concentração de 40g/l de etanol, valor abaixo do poder inibitório e aos níveis de atuar como anti-séptico. A temperatura se estabiliza em tomo de 33°C, eliminando a necessidade de um sistema de refrigeração, equipamento necessário nos processos fermentativos convencionais, reduzindo acentuadamente os custos do processo extrativo proposto. Pôr intermédio de perturbações degrau no processo, os resultados obtidos permitiram escolher a variável manipulada e controlada, importante para a implementação do controle. A manutenção da operação do processo em condições otimizadas foi desenvolvida e implementada pela estratégiaDMC-SISO ("Dynamic Matrix Control-Single Input/Single Output"), conseguindo-se manter o processo em alta performance (alto rendimento com alta produtividade)Abstract: The conventional alcoholic fermentation is a typical inhibitory process, leading to low productivity and yield. The goals of this work is to study the technical viability of the continuous extractive alcoholic fermentation coupled with an extractive system (vacuum flash tank) and the introduction of an advanced control strategy. The mathematical model was based on fundamental fermentation kinetic and mass and energy balances. The optimization was carried out using the method of factorial design and response surface analysis, through mathematical modeling and computer simulation. The results, using optimized variables were 99.2% of conversion and 21 g/l h of productivity, the latter representing 166% times as higheras the productivity in conventional continuous process. The dynamic characteristic studies of the extractive process showed that the product concentration increases slightly and then falls down until reach a constant and desirable level of 40g/l. This whose level allows the good performance of the microorganism and the inhibition of contaminants. It is possible to maintain the temperature at desirable levels (30°C), without using heat exchangers for the temperature control. The manipulated and controlled variables were determined from the dynamic responses of the system. The desired conditions can be regulated by an appropriated operation of the system, like the implementation of a predictive algorithm. Through the DMC-SISO (Dynamic Matrix Control-Single Input/Single Output) control strategy was studied and implemented, showing a high performanc