O uso de etanol combustível no Brasil é hoje considerado o mais importante programa de combustível comercial renovável do mundo, sendo um potencial substituto aos derivados de petróleo. O aumento de rendimento fermentativo e a diminuição das perdas são objetivos de estudo em diversos centros de pesquisa, sendo o estudo da modelagem matemática e simulação do processo de grande importância para tal. A presente pesquisa apresenta como função identificar um modelo matemático para a linhagem isolada de Saccharomyces cerevisiae PE-2, de maneira a otimizar a maneira como é realizada a sua alimentação através de um controle H∞ por representação quasi-LPV. São realizados 9 ensaios de fermentação em 3 temperaturas distintas sob mesmas condições de concentração de substrato entrante. Após a finalização dos experimentos e análises, realiza-se a estimativa dos parâmetros componentes das equações diferenciais que modelam a cinética fermentativa, através de um algoritmo Quasi-Newton. De posse do modelo matemático, desenvolve-se um controle otimizado para a temperatura de 33ºC (temperatura usual de controle no processo industrial), considerando os parâmetros \"s\" e \"v\" variantes no tempo e os parâmetros x = 150 g/L e p = 70 g/L fixados, sendo valores médios obtidos durante o experimento. A utilização do controle desenvolvido possibilita um aumento de produtividade na faixa de 10% com relação a alimentação realizada em laboratório. Os resultados finais comprovam a eficiência do modelo matemático desenvolvido, comparado a outros estudos semelhantes, a influência da temperatura nos parâmetros cinéticos e a possibilidade de otimizar o processo através de um controle avançado do processo. / The use of ethanol in Brazil is considered the most important commercial renewable fuel program in the world, with a potential substitute for oil products. The increase in fermentation yield and losses reduction are objectives of study in various research centers, where the study of mathematical modeling and simulation of the process is of significant importance. This research presents as function to identify a mathematical model for the isolated strain of Saccharomyces cerevisiae PE-2, in order to optimize the way their substrate is fed, through a H∞ control based on quasi-LPV representation. Nine fermentation tests are performed at three different temperatures under the same conditions for incoming substrate concentration. After the experiments and analysis, it is carried out the estimation of parameters which are components of the differential equations that explain the fermentation kinetics, through a Quasi-Newton algorithm. With the mathematical model obtained, it is developed an optimal control for temperature 33°C (usual temperature control in the industrial process), considering the parameters \"s\" e \"v\" variyng in time and the parameters x = 150 g/L e p = 70 g/L set, which are average values obtained over the tests. The use of the control developed, applied to the flow variation, allows increasing productivity in 10% when compared with the flow performed in the tests conditions. The final results demonstrated the efficacy of the developed mathematical model, compared to other similar studies, the influence of temperature on the kinetic parameters and the possibility to optimize the process through an advanced process control.

The search for other sources of energy has encouraged the development of research and innovation in the production of biofuels, such as the second generation ethanol. Biomass from agricultural residues has advantages such as reuse, solves the disposal problem and also offers a low cost of production. In this context, this paper evaluates the best pretreatment (acid, alkaline and hydrothermal) waste from processing fruits (orange, passion fruit and soursop) to obtain bioethanol. The waste collected, stored at -20°C were thawed at room temperature, sanitized in 100 ppm sodium hypochlorite for 15 min and dried in an oven with air circulation at 55 ± 5°C until constant weight, ground and subsequently on a knife mill type Willye 30 mesh and packed in airtight plastic bottles at room temperature. Determinations of lipid, protein, moisture, ash, fiber, pectin and carbohydrate were performed. Pretreatments were designed according to experimental design where, for the acid, time 15 to 120 min, Cacid from 1 to 5% and Cbiomass 1 to 9%. For the alkali, it was used the same conditions as the acid, changing only the Cbasis, from 0.5 to 2.5%. For the hydrothermal only Cbiomass and time were evaluated. As answers, the mass yield, the amount of total reducing sugars (TRS) and total soluble solids in the liquid fraction. For the enzymatic hydrolysis it was employed cellulase Sigma-Aldrich in a 2:1 by enzyme mL:g pretreated biomass in 60 mL of 50 mM citrate buffer at 50°C and 100 rpm, evaluating the concentration of total reducing sugars. In ethanol fermentation, was used the hydrolyzate complemented with mineral solution and the yeast Saccharomyces cerevisiae, the main responses analyzed were ethanol concentration and yield of fermentation. The waste orange, passion fruit and soursop higher content of sugar in the liquor pretreatment occurred in the acid using low biomass concentration and longer pretreatment (65%), whereas at higher acid concentrations was sugars decreased, probably because undergo degradation. In alkaline pretreatment, was lower than the saccharification acid pretreatment (35%) and lower yields mass, indicating that some component of the lignocellulosic matrix was solubilized lignin probably characteristic of alkaline treatments. In hydrothermal there was the lowest saccharification liquor from both the pretreatment and in the enzymatic hydrolysis, possibly because the time and temperature used were not effective in destroying the lignocellulosic matrix. In enzymatic hydrolysis, alkali was more efficient than the acid, achieving, in the best conditions, around 35% of ART, except for the residue of passion fruit (<10% hydrolysis for the three pre-treatments), suggesting negative relationship between the amount of pectin and action of cellulases. The yield of fermentation behaved differently among trials for obtaining pre-treatment acid with shorter (15 minutes) the highest rates, while for these alkaline and hydrothermal stood in a longer time (120 min) pretreatment. These observations suggest that in the case of residual soursop optimizations must be carried out using lower heating times and higher biomass concentrations. However, for the orange peel and passion fruit residue, the intermediate condition seems to be more appropriate, and more efficient enzyme complexes and the presence of enzymes that break down pectin. / A busca por outras fontes de energia tem incentivado o desenvolvimento de pesquisas e a inovação na produção de biocombustíveis, a exemplo do etanol de segunda geração. A biomassa proveniente de resíduos agroindustriais apresenta como vantagens seu reaproveitamento, resolve o problema de descarte e, também, oferece um baixo custo de produção. Neste contexto, o presente trabalho avalia o melhor pré-tratamento (ácido, alcalino e hidrotérmico) de resíduos do processamento de frutas (laranja, maracujá e graviola) para a obtenção de bioetanol. Os resíduos coletados, armazenados em freezer a -20°C, foram descongelados à temperatura ambiente, sanitizados em hipoclorito de sódio 100 ppm por 15 min e secos em estufa de recirculação de ar a 55±5°C até peso constante, sendo posteriormente triturados em um moinho de facas do tipo Willye a 30 mesh e acondicionados em frascos plásticos herméticos à temperatura ambiente. Foram realizadas determinações de lipídios, proteínas, umidade, cinzas, fibra, pectina e carboidratos totais. Os pré-tratamentos foram idealizados de acordo com delineamentos experimentais, sendo para o ácido, tempo de 15 a 120 min, Cácido de 1 a 5% e Cbiomassa de 1 a 9%. Para o alcalino, utilizaram-se as mesmas condições do ácido, mudando apenas a Cbase, de 0,5 a 2,5%. Para o hidrotérmico, somente os tempos e Cbiomassa foram avaliados. Como respostas, o rendimento mássico, a quantidade de açúcares redutores totais (ART) e sólidos solúveis totais na fração líquida. Para a hidrólise enzimática, empregou-se celulase Sigma-Aldrich® na proporção 2:1, em mL enzima:g biomassa pré-tratada em 60 mL de tampão citrato 50 mM a 50°C e 100 rpm, avaliando-se a concentração de açúcares redutores totais. Na fermentação etanólica, empregou-se o hidrolisado, solução mineral e a levedura Saccharomyces cerevisiae, tendo como principais respostas a concentração de etanol e o rendimento da fermentação. Nos resíduos de laranja, graviola e maracujá as maiores sacarificações no licor do pré-tratamento ocorreram no ácido, utilizando-se menor concentração de biomassa e maior tempo de pré-tratamento (65%), ao passo que nas concentrações mais elevadas de ácido houve uma diminuição de açúcares, provavelmente porque sofreram degradação. No pré-tratamento alcalino, houve menor sacarificação que o ácido (35%) e menor rendimento mássico, indicando que algum componente da matriz lignocelulósica foi solubilizado, provavelmente a lignina, característica de tratamentos alcalinos. No hidrotérmico, houve a menor sacarificação tanto no licor do pré-tratamento quanto na hidrólise enzimática, possivelmente porque o tempo e temperatura usados não foram eficientes na destruição da matriz lignocelulósica. Na hidrólise enzimática, o alcalino foi mais eficiente que o ácido, conseguindo-se, nas melhores condições, em torno de 35% de ART, à exceção do resíduo do maracujá (< 10% de hidrólise para os três pré-tratamentos), sugerindo relação negativa entre quantidade de pectina e ação das celulases. O rendimento de fermentação se comportou de modo diverso entre os ensaios, obtendo-se para o pré-tratamento ácido com menor tempo (15 min) as maiores taxas, enquanto que para o alcalino e o hidrotérmico estas se situaram em um maior tempo (120 min) de pré-tratamento. Essas observações sugerem que, no caso do resíduo de graviola, as otimizações devem ser realizadas empregando menores tempos de aquecimento e maiores concentrações de biomassa. Entretanto, para o bagaço de laranja e resíduo de maracujá, a condição intermediária parece ser mais adequada, além de complexos enzimáticos mais eficientes e com a presença de enzimas que quebrem a pectina.

This study aimed to evaluate the influence of concentrations of sugars in the must, on the performance of ethanol fermentation conducted in fed batch with variable flow of power to define the best concentrations of ART in the must (juice, molasses and mixed) that lead to improved efficiencies and productivity in ethanol fermentation.In the preparation of mash mix were used the following proportions (20% molasses + 80% broth, 40% molasses + 60% broth, 50% molasses + 50% broth, 60% molasses + 40% broth, 80% molasses + 20% broth ). The profile power was declining, varying the flow rate from 0.75 to 0.25 Lh-1, with time filling the fermenter 3 hours for all tests, ranging from 30 to 30 minutes to feed flow wort in fermenter 4L workload (3 liters of wine and 1 liter of inoculum), evaluating diferente concentrations of ART in three types of wine studied. We evaluated performance parameters such as fermentation and process efficiencies and productivity in ethanol. Musts were quantified in pH, sulfuric acid, Brix and ART.In the middle fermented (wine), pH, acidity, residual sugar and ethanol content and quantity of cells. The kinetic profile was defined by quantifying the concentrations of cells, substrate and ethanol (in 1 hour). The figures in this study as a starting point for industrial use are 16 to 18 Brix (ART 114.25 to 125.86 g / L), 16 to 18 ° Brix (ART 127.70 to 141.24 g / L) and around 16 ° Brix (ART 113.68 g / L to 123.30), respectively, for juice of molasses, juice and mix (juice + molasses).The fermentation efficiencies were 77.17 to 90.30% for grape juice, from 74.4 to 86.51% for wine and mixed wine from 61.84 to 84.06 for molasses. Yields were obtained from 6.85 to 8.21 g / Lh for wine broth, 5.90 to 7.77 g / Lh for wine mixed and 4.04 to 6.72 g / Lh for grape molasses. These tracks serve to subsidize recommended as a starting point, the conduct of industrial ethanol fermentation conducted in fed batch with variable flow supply, since the conditions for conducting the tests, as well as the raw materials used in the preparation of musts were similar to those used industrially. / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este estudo objetivou avaliar a influência das concentrações de açúcares nos mostos, sobre o desempenho da fermentação etanólica conduzida em batelada alimentada com vazão variável de alimentação, para a definição das melhores concentrações de ART nos mostos (de caldo, de melaço e misto) que conduzam a melhores eficiências de fermentação e produtividade em etanol. Na preparação do mosto misto foram utilizadas as seguintes proporções (20% melaço + 80% caldo, 40% melaço + 60% caldo, 50% melaço + 50% caldo, 60% melaço + 40% caldo, 80% melaço + 20% caldo). O perfil de alimentação foi decrescente, variando-se a vazão de 0,75 a 0,25 L.h-1, com tempo de enchimento do fermentador de 3 horas para todos os ensaios, variando-se de 30 em 30 minutos a vazão de alimentação de mosto, em fermentador de 4L de volume de trabalho (3 litros de mosto e 1 litro de inoculo), avaliando-se diferentes concentrações de ART nos 3 tipos de mosto estudados. Foram avaliados parâmetros de desempenho, como eficiências fermentativa e de processo e produtividade em etanol. Nos mostos foram quantificados pH, acidez sulfúrica, Brix e ART. No meio fermentado (vinho), pH, acidez, Açúcares Residuais e teor de etanol e quantidade de células. O perfil cinético foi definido, quantificando-se as concentrações de células, substrato e etanol (em intervalos de 1 hora). Os valores indicados neste estudo, como ponto de partida para utilização industrial, são Brix de 16 a 18 (ART 114,25 a 125,86 g/L), de 14 a 18 °Brix (ART de 112,90 a 141,24 g/L) e próximo de 16 °Brix (ART de 113,68 g/L a 123,30), respectivamente para mostos de melaço, caldo e misto (caldo + melaço). As eficiências de fermentação foram: 77,17 a 90,30%, para mosto de caldo, 74,4 a 86,51% para mosto misto e 61,84 a 84,06 para mosto de melaço. As produtividades obtidas foram 6,85 a 8,21g/L.h, para mosto de caldo, 5,90 a 7,77g/L.h para mosto misto e 4,04 a 6,72g/L.h para mosto d melaço. Estas faixas recomendadas servem para subsidiar, como ponto de partida, a condução da fermentação etanólica industrial conduzida em batelada alimentada com vazão variável de alimentação, visto que as condições de condução dos ensaios, assim como as matérias-primas utilizadas na preparação dos mostos, foram semelhantes às utilizadas industrialmente.