Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3641.pdf: 2915031 bytes, checksum: 75a88eb9fcd13120c484443ffeae1a1a (MD5) Previous issue date: 2011-02-28 / Universidade Federal de Sao Carlos / The aim of this work was evaluated the sugarcane bagasse (SCB) pretreatment by aqueous ammonia, an alkaline method. Samples of SCB (in natura and steam exploded unwashed) were pretreated with ammonium hydroxide solution (NH4OH) at 1:5 solid-liquid ratio (by weight), in a bench scale. Preliminary assays were carried out employing NH4OH solution (28% w/w) at room temperature 24 ± 3 ⁰C by 7, 15 and 30 days. In these experiments, it was observed that the pretreatment was selective in removing lignin and hemicellulose. New experiments were carried out using at 50⁰C and NH4OH 15% during 30, 60 and 90 minutes. In these pretreatments the same behavior was observed. In the next assays, it decided to fix the reaction time in 60 minutes and the temperature in 100⁰C. Samples of in nature and steam exploded SCB were pretreated at diffent NH4OH concentrations (4 to 15%). Enzymatic hydrolysis assays were carried out in Erlenmeyers flasks (50⁰C, pH 4.8 and 250 rpm) using 30 FPU/g bagasse (Accellerase 1500, Genencor) and 5 CBU/g bagasse (BG, Genencor). Experiments were carried out employing in natura SCB (pretreated conditions 4, 10 and 15% NH4OH solution, 60 min., 100⁰C) with 3% of solid loading. A glucose conversion of 64.2% was reached in the best condition (10% NH4OH solution). Experiments were carried out employing steam exploded SCB (5, 10 e 15% NH4OH solution, 60 min. and 100⁰C) with 5% of solid loading. A glucose conversion of 79.9% was reached in the best condition (15% NH4OH solution). Hydrolysis experiments using higher solid loading (5% for in natura and 10% for steam exploded) and 30 FPU/g cellulose (Accellerase 1500) were carried out. A glucose conversion of 69.6% for in natura and 82.2% for steam exploded SCB were obtained. Fermentation assays (250 rpm, 30⁰C) employing commercial and industrial Saccharomyces cerevisiae were conducted, in a rich and poor medium. A theoretical fermentation yield up to 78% was found for the poor medium and around 88% for the rich medium. The industrial S. cerevisiae shows a value of yield slightly superior to those of commercial strain. Samples of SCB (before and after pretreatment) were analyzed by scanning electron micrograph (SEM). / O objetivo deste trabalho foi avaliar a etapa de pré-tratamento do bagaço de cana de açúcar empregando amônia aquosa, um método alcalino. Amostras de bagaço (in natura e explodido a vapor não lavado) foram tratadas na proporção 1:5 (massa de bagaço seco por massa de solução de NH4OH), em escala de bancada. Ensaios preliminares foram realizados empregando solução 28% (m/m) de NH4OH, a temperatura ambiente 24 ± 3 ⁰C por 7, 15 e 30 dias em recipiente fechado. Nestes experimentos verificou-se que o pré-tratamento foi seletivo na remoção de lignina e hemicelulose. Novos experimentos foram realizados fixando-se a temperatura em 50⁰C e a concentração de NH4OH em 15%. Avaliaram-se tempos de reação de 30, 60 e 90 min. Nestes prétratamentos o mesmo comportamento foi observado. Nos próximos ensaios o tempo de reação foi fixado em 60 min e a temperatura em 100⁰C. Amostras de bagaço foram pré-tratadas em soluções de NH4OH (4 a 15%). Experimentos de hidrólise enzimática foram realizados em frascos de Erlenmeyer (50⁰C, pH 4,8 e 250 rpm) empregando 30 FPU/g bagaço (Accellerase 1500, Genencor) e 5 CBU/g bagaço (BG, Genencor). Na hidrólise das amostras de bagaço in natura (pré-tratadas com soluções de NH4OH 4, 10 e 15%, 60 min, 100⁰C) com carga de sólidos de 3% a melhor conversão em glicose foi de 64,2% (amostra tratada NH4OH 10%). Na hidrólise da amostra de bagaço explodido (pré-tratadas com NH4OH 5, 10 e 15%, 60 min e 100⁰C) com carga de sólidos de 7% a melhor conversão em glicose foi de 79,9% (amostra tratada com NH4OH 15 %). Hidrólises com maior carga de sólidos, 5% (bagaço in natura) e 10% (bagaço explodido), utilizando 30 FPU/g celulose (Accellerase 1500, Genencor) foram realizadas. Nestes ensaios obteve-se conversão em glicose de 69,6% (bagaço in natura) e 82,2% (bagaço explodido). Experimentos de fermentação alcoólica (250 rpm, 30⁰C) foram realizados empregando levedura Saccharomyces cerevisiae (comercial e industrial) em meios de cultivo denominados rico e pobre . A eficiência na conversão da glicose em etanol nos experimentos foi acima de 78% (meio pobre ) e da ordem de 88% (meio rico ). A levedura industrial apresentou eficiência um pouco superior à comercial. As amostras de bagaço (antes e após o pré-tratamento) foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV).

Researches are done with the aim of select yeast strains that plays a differentiated role in the process of alcoholic fermentation, with the purpose of improve the performance in the ethanol production and decrease the productions costs. In this work it was studied the application of Saccharomyces cerevisiae yeasts with flocculent features in fed batch reactor. It was evaluated the fermentative capacity of six strains of flocculent yeasts. The yeast C2/00 was involved in higher productivity and yield in ethanol compared to other yeasts tested. After it was studied the alcoholic fermentation in fed batch reactor using the yeast C2/00. The fermentations were performed at 32°C and initial pH adjusted in 4.5. The process was optimized in sucrose concentration of 170 g/L, cell concentration in the inoculum of 40% (v/v) and filling time of 6 hours, it is obtaining a yield of 92.20% in relation to the theoretical one, productivity of 6.01 g/L.h and residual sucrose of 42.84 g/L in 10.5 hours of fermentative process. It was studied the influence of cells recirculation during the fermentative process and the influence of initial concentration of ethanol and substrate in inoculum on the fed batch process with the aim of improve the productivity and reduce the residual sugar. From of this study it was obtained 92.75% of yield, 9.26 g/L.h of productivity, 2.9 g/L of residual sucrose concentration and the ethanol concentration produced was 83.37 g/L in 9 hours of fermentative process. The inhibition by the substrate and product model to the kinetics of alcoholic fermentation was proposed. The parameters of model were calculated by means of nonlinear adjust to the experimental results of growth of yeast, substrate consumption and formation of product to the batch reactor. The maximum specific speed of growth was 0.103 h-1 with KI and Ks equal to 109.86 and 30.24 g/L, respectively. With the experimental results of fed batch reactor and fed batch with recycle, it can be noted a good fit to the model proposed, resulting in a maximum specific velocity of growth of 0.080 h-1 to the process in fed batch without recycle and 0.182 h-1 to the fed batch process with recycle of fermentative media. The ethanol concentration in which the production of it is completely inhibited (P max) was 110 gethanol /L , approximately 13.92% (v/v). For the result of maximum concentration of product that inhibits fully the microorganisms growth (Pmax) was 12% (v/v), corresponding to 94.8 g/L of ethanol. The specific velocity of sedimentation (SVS) to the yeast C2/00 in pH 5 was 0.240 min-1 and the sedimentation rate of the test beaker was 0.444 cm/min. The alcoholic fermentation, using the flocculent yeast Saccharomyces cerevisiae in fed batch reactor with recycle of fermentative media provided higher productivity and yields when compared to the reported data by literature, in which used batch reactor or fed batch without recycle of fermentative media. / Com o objetivo de melhorar o desempenho na produção de etanol e diminuir os custos de produção, pesquisas são realizadas no intuito de selecionar linhagens de leveduras que vêm sendo diferenciadas no processo de fermentação alcoólica. Neste trabalho estudou-se a aplicação de leveduras Saccharomyces cerevisiae com características floculantes em reator batelada alimentada. Avaliou-se a capacidade fermentativa de seis cepas de leveduras floculantes. A levedura C2/00 foi a gerou maiores produtividade e rendimento em etanol em comparação às outras leveduras testadas. Posteriormente, estudou-se a fermentação alcoólica em processo batelada alimentada utilizando a levedura C2/00. As fermentações foram realizadas a 32°C e pH inicial ajustado em 4,5. O processo foi otimizado com concentração de sacarose de 170 g/L, concentração celular no inóculo de 40% (v/v) e tempo de enchimento de 6 horas, obtendo-se um rendimento de 92,20% em relação ao teórico, produtividade de 6,01 g/L.h e sacarose residual de 42,84 g/L em 10,5 horas de processo fermentativo. Com o intuito de melhorar a produtividade e reduzir o açúcar residual foi estudada a influência da recirculação de células durante o processo fermentativo e a influência da concentração inicial de etanol e substrato no inóculo no processo em batelada alimentada. A partir deste estudo obteve-se 92,75% de rendimento, 9,26 g/L.h de produtividade, 2,9 g/L de concentração de sacarose residual e a concentração de etanol produzido foi de 83,37 g/L em 9 horas de processo fermentativo. Foi proposto o modelo de inibição pelo substrato e produto para a cinética da fermentação alcoólica. Os parâmetros do modelo foram calculados por meio de ajuste não linear aos resultados experimentais de crescimento de leveduras, consumo de substrato e formação de produto para o reator batelada. A velocidade específica máxima de crescimento foi de 0,103 h-1 com KI e Ks iguais a 109,86 e 30,24 g/L, respectivamente. Com os resultados experimentais do reator batelada alimentada e batelada alimentada com reciclo, constatou um bom ajuste do modelo proposto, resultando em uma velocidade específica máxima de crescimento de 0,080 h-1 para o processo em batelada alimentada sem reciclo e 0,182 h-1 para o processo batelada alimentada com reciclo de meio fermentativo. A concentração máxima de etanol na qual a produção do mesmo foi completadamente inibida (P máx) foi de 110 getanol /L , aproximadamente 13,92% (v/v). No entanto a concentração máxima de produto que cessa totalmente o crescimento do micro-organismo (Pmáx) foi de 12% (v/v), correspondendo a 94,8 g/L de etanol. A velocidade específica de sedimentação (VES) para a levedura C2/00 em pH 5 foi de 0,240 min-1 e a velocidade de sedimentação pelo teste da proveta foi de 0,444 cm/min. A fermentação alcoólica, utilizando a levedura floculante Saccharomyces cerevisiae em reator batelada alimentada com reciclo de meio fermentativo forneceu maior produtividade e rendimentos quando comparados a dados reportados pela literatura, nos quais utilizaram reator batelada ou batelada alimentada sem reciclo de meio fermentativo. / Doutor em Engenharia Química

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work presents as objective to study the simultaneous influence of pH, temperature and sulphite concentration on situations comprising stress situations for the yeast on the alcoholic fermentation by the use of a central composite design (CCD). The yeast Saccharomyces cerevisiae Y-940 was used and the experiments were carried out in a temperature and agitation controlled mixture reactor with a useful volume of 2L. The conditions defined on the CCD were: temperature ranging from 21.5 to 48.5ºC, pH ranging from 1.5 to 5.5 and sulphite concentration ranging from 0 to 345mg/L. The fermentations were accompanied throughout time by sucrose, ethanol, glycerol and cells concentrations and, by the end of 12 hours, cell viability and trehalose concentration were determined as well. From the obtained data, cell viability, the final amount of intracellular trehalose, ethanol yield and productivity and glycerol yield were analyzed as responses. The variables values that maximized the cell viability were temperature ranging from 21.5 to 31ºC, pH ranging from 3.2 to 4.2 and sulphite concentration from 0 to 45mg/L. For the final amount of trehalose, the temperature interval that maximized the response ranged from 23.5 to 38ºC, the pH ranging from 3.5 to 4.6 and the sulphite concentration ranging from 0 to 90mg/L. To achieve the maximum ethanol yield (g/g), the temperature ranged from 32.5 to 39ºC, the pH ranged from 3.5 to 4.3 and the sulphite concentration from 0 to 90 mg/L. The ethanol maximum productivity (g/L.h) was attained in a temperature of 33.5ºC, in a pH of 3.9 and in absence of sulphite. The conditions for a maximum glycerol yield were: 48.5ºC, pH of 5.5 and a sulphite concentration of 345 mg/L. With the objective of investigating the sulphite effect on fermentation with a greater level of detail, additional experiments were conducted by adopting conditions that allowed to evaluate the isolated effect of sulphite on fermentations, allowing to reach the conclusion that greater sulphite concentrations generates a high glycerol yield and lowers ethanol productivity and cell viability. The fermentation kinetic at the point defined as optimal by analyzing the CCD responses was well adjusted to the model proposed by Ghose and Thiagy. The found μmax parameter was 0,15h-1, Ks of 3,31g/L, Ki of 135,87g/L and a Pm of 84,23g/L. / O presente trabalho teve como objetivo estudar a influência conjunta do pH, temperatura e concentração de sulfito em condições que englobaram situações de estresse para levedura na fermentação alcoólica, utilizando um planejamento composto central (PCC). Foi utilizada a levedura Saccharomyces cerevisiae Y-940, sendo os ensaios conduzidos em um reator de mistura com volume útil de 2L, com controles de temperatura e agitação. As condições definidas pelo PCC foram: temperatura na faixa de 21,5 a 48,5°C; pH de 1,5 a 5,5 e a concentração de sulfito de 0 a 345 mg/L. As fermentações foram acompanhadas ao longo do tempo pelas medidas de concentrações de sacarose, etanol, glicerol e células e, ao final de 12h, foram determinadas, também, a viabilidade celular e a concentração de trealose, sendo analisadas como respostas a viabilidade celular, a quantidade final de trealose intracelular, o rendimento e produtividade de etanol e rendimento em glicerol. As faixas das variáveis que maximizaram a viabilidade celular foi temperatura de 21,5 a 31ºC, de pH de 3,2 a 4,3, e concentração de sulfito de 0 a 45 mg/L. Para a quantidade final de trealose, o intervalo da temperatura que maximizou a resposta foi de 23,5 a 38ºC, o pH, de 3,5 a 4,6 e a concentração de sulfito, de 0 até 90mg/L. Para atingir o máximo rendimento em etanol (g/g) a faixa de temperatura foi de 32,5 a 39°C, o pH de 3,5 a 4,3 e a concentração de sulfito de 0 a 90mg/L. A máxima produtividade de etanol (g/L.h) foi obtida nas condições de temperatura de 33,5ºC, pH de 3,9 e na ausência de sulfito. As condições para o máximo rendimento de glicerol foram: temperatura de 48,5°C, pH 5,5 e concentração de sulfito 345mg/L. Com o objetivo de se investigar mais detalhadamente o efeito do sulfito na fermentação foram realizados experimentos complementares, adotando-se condições que permitiram avaliar o efeito isolado do sulfito na fermentação e concluiu-se que maiores concentrações de sulfito no meio geram maior rendimento em glicerol e menores produtividade de etanol e viabilidade celular. A cinética da fermentação no ponto definido como ótimo pelas análises das repostas do PCC se ajustou bem ao modelo proposto por Ghose e Thiagy. O parâmetro μmax encontrado foi de 0,15h-1, Ks de 3,31g/L, Ki de 135,87g/L e o Pm de 84,23g/L. / Mestre em Engenharia Química

O presente trabalho avaliou o crescimento da microalga Dunaliella tertiolecta pela biofixação do CO2 liberado pela produção de cerveja, reciclando um dos gases responsáveis pelo efeito estufa, reduzindo custo da matéria-prima CO2 e agregando valor ao produzir lipídeos e carotenoides naturais. Para isso a microalga foi cultivada em sistemas integrados entre fotobiorreatores e fermentadores. A diferença nos cultivos foi o tipo e a quantidade de CO2 produzida pelas fermentações. Inicialmente se fez fermentações com meio YPD (Yeast Peptone Dextrose) em fermentadores de 2 L acoplados a cada 24 h aos fotobiorreatores em 4 condições distintas, sendo o último fermentador colocado sempre em 144 h de cultivo de microalgas: 30 g L-1 de dextrose a partir de 72 h de cultivo de microalgas, 60 g L-1 de dextrose a partir de 72 h de cultivo de microalgas, 30 g L-1 de dextrose a partir de 24 h de cultivo de microalgas e variando a concentração de (10 à 60) g L-1 de dextrose a partir de 24 h de cultivo de microalgas (YPD (10-60)/24). Os maiores valores para biomassa, carotenoides, produtividades e lipídeos foram obtidos na condição YPD (10-60)/24. Para reproduzir a essa condição utilizando mosto de cerveja, foi calculada a conversão de substrato em produto para, então, acoplar diariamente volumes diferentes de mosto de cerveja em cultivos de microalgas. Os valores obtidos para os cultivos com CO2 desprendidos por estas fermentações foram 1,10 ± 0,05 g L-1 de biomassa, 0,18 ± 0,01 g L-1 d-1 de produtividade de biomassa, 0,58 ± 0,06 d-1 foi a velocidade específica de crescimento, 4,74 ± 0,59 mg g-1 de carotenoides por biomassa, 0,86 ± 0,06 mg L-1 d-1 de produtividade de carotenoides e 13,5 ± 0,4 % (em massa) de lipídeos. Estes valores foram praticamente o dobro dos valores obtidos para o cultivo com CO2 do ar atmosférico, demonstrando que a integração entre fermentadores e fotobiorreatores é uma boa alternativa para indústria alimentícia. Todos cultivos com D. tertiolecta apresentaram o mesmo perfil de carotenoides representado por 46,7 ± 2,0 % de luteína, 22,5 ± 1,6 % de β-caroteno, 9,50 ± 0,66 % de zeaxantina, 1,10 ± 0,16 % de α-caroteno e 20,2 ± 3,0 % para outros. / This study evaluated the growth of microalgae Dunaliella tertiolecta for CO2 biofixation released by brewing, recycling one of the greenhouse gases, reducing cost of raw material CO2 and adding value to produce lipids and natural carotenoids. For this, microalgae were cultivated in integrated systems between photobioreactors and fermenters. The difference in the cultures was the culture medium and the amount of CO2 produced. Initially, fermentation with medium YPD (Yeast Peptone Dextrose) in 2 L fermenters were coupled every 24 h to photobioreactors in 4 different conditions: 30 g L-1 of dextrose from 72 h culture of microalgae; 60 g L-1 of dextrose from 72 h culture of microalgae; 30 g L-1 of dextrose from 24 h culture of microalgae; and ranging dextrose concentration of (10 to 60) g L-1 from 24 h culture of microalgae (YPD (10-60)/24). The highest values for biomass, carotenoids, productivities and lipids were obtained in the condition YPD (10-60)/24. To reproduce this condition using beer wort, the substrate to product yield was determined and different volumes of beer wort where daily coupled to microalgae cultivations. The values obtained for cultures with CO2 released from these fermentations were 1.10 ± 0.05 g L-1 of biomass, 0.18 ± 0.01 g L-1 d-1 of biomass productivity, 0.58 ± 0.06 d-1 for the specific growth rate, 4.74 ± 0,59 mg g-1 of carotenoids per biomass, 0.86 ± 0.06 mg L-1 d-1 of carotenoids productivity and 13.5 ± 0.4 % (mass fraction) of lipids. These values were almost twice the values observed in the cultivation with CO2 of atmospheric air, showing that the integration between fermenters and photobioreactors is a good alternative to increase microalgae growth. All cultures with D. tertiolecta showed the same profile of carotenoids represented by 46.7 ± 2.0 % of lutein, 22.5 ± 1.6 % of β-carotene, 9.50 ± 0.66 % of zeaxanthin, 1.10 ± 0.16 % of α-carotene and 20.2 ± 3.0 % for others.

Este trabalho iniciou-se com o objetivo de superexpressar proteínas com atividade ATPase, como tentativa de alterar a conservação de energia livre na levedura S. cerevisiae, de maneira a aumentar o rendimento da fermentação alcoólica. Para isso, duas ATPases nativas de S. cerevisiae, as chaperonas codificadas pelos genes HSP104 e CDC48, foram superexpressas, individualmente, sob o controle de quatro promotores de diferentes forças, provocando diferentes gastos energéticos na levedura. Entretanto, não foi possível obter aumento no rendimento em etanol. Em seguida, foi feito um estudo que visou comparar essas linhagens em situação de estresse térmico, ácido ou osmótico, tipicamente encontrados no processo brasileiro de produção de etanol. A 40 °C, uma linhagem superexpressando CDC48 apresentou velocidade específica máxima de crescimento 17 % maior que a linhagem de referência, indicando maior tolerância ao estresse térmico. Finalmente, avaliou-se Hsp104 e Cdc48 em um contexto fisiológico no qual as atividades dessas proteínas pudessem ser mais requeridas. Como as chaperonas moleculares são conhecidas por agirem como primeira linha de defesa contra a formação de proteínas incorretamente enoveladas e agregados proteicos, estudaram-se a morfologia e a fisiologia da superexpressão de HSP104 e CDC48 em linhagens com desarranjo no controle de qualidade de proteínas intracelulares, causado por mutações no proteassomo 20S. A superexpressão de CDC48 ou HSP104 reverteu em parte a morfologia alterada de alguns desses mutantes de proteassomo. / The initial goal of this work was to overexpress proteins with ATPase activity in Saccharomyces cerevisiae, as an attempt to alter the conservation of free energy in this yeast, in order to increase alcoholic fermentation yield. Therefore, two native S. cerevisiae ATPases, the chaperones encoded by HSP104 and CDC48, were individually overexpressed under the control of four promoters with different strengths, in order to provoke different levels of energy expenditure. Increments in the ethanol yield could not be observed in any of the constructed strains. Subsequently, a study was carried out to compare these mutant strains with reference strains under heat, acid or osmotic stress, which are typically found in the industrial fuel ethanol production in Brazil. At 40 oC a strain overexpressing CDC48 displayed a maximum specific growth rate 17 % higher than that of the reference strain, indicating a greater tolerance to heat stress. Finally, Hsp104 and Cdc48 were evaluated in a physiological context in which the activity of these proteins would be required in a higher level. Since molecular chaperones are known to act as the first defense line against the formation of misfolded proteins and aggregates, the physiological and morphological effects of HSP104 or CDC48 overexpression were analyzed in strains with protein quality control disarrangements caused by mutations in proteasome 20S. The overexpression of either CDC48 or HSP104 partially reversed the altered morphology of some of these proteasome mutants.

O presente trabalho avaliou o crescimento da microalga Dunaliella tertiolecta pela biofixação do CO2 liberado pela produção de cerveja, reciclando um dos gases responsáveis pelo efeito estufa, reduzindo custo da matéria-prima CO2 e agregando valor ao produzir lipídeos e carotenoides naturais. Para isso a microalga foi cultivada em sistemas integrados entre fotobiorreatores e fermentadores. A diferença nos cultivos foi o tipo e a quantidade de CO2 produzida pelas fermentações. Inicialmente se fez fermentações com meio YPD (Yeast Peptone Dextrose) em fermentadores de 2 L acoplados a cada 24 h aos fotobiorreatores em 4 condições distintas, sendo o último fermentador colocado sempre em 144 h de cultivo de microalgas: 30 g L-1 de dextrose a partir de 72 h de cultivo de microalgas, 60 g L-1 de dextrose a partir de 72 h de cultivo de microalgas, 30 g L-1 de dextrose a partir de 24 h de cultivo de microalgas e variando a concentração de (10 à 60) g L-1 de dextrose a partir de 24 h de cultivo de microalgas (YPD (10-60)/24). Os maiores valores para biomassa, carotenoides, produtividades e lipídeos foram obtidos na condição YPD (10-60)/24. Para reproduzir a essa condição utilizando mosto de cerveja, foi calculada a conversão de substrato em produto para, então, acoplar diariamente volumes diferentes de mosto de cerveja em cultivos de microalgas. Os valores obtidos para os cultivos com CO2 desprendidos por estas fermentações foram 1,10 ± 0,05 g L-1 de biomassa, 0,18 ± 0,01 g L-1 d-1 de produtividade de biomassa, 0,58 ± 0,06 d-1 foi a velocidade específica de crescimento, 4,74 ± 0,59 mg g-1 de carotenoides por biomassa, 0,86 ± 0,06 mg L-1 d-1 de produtividade de carotenoides e 13,5 ± 0,4 % (em massa) de lipídeos. Estes valores foram praticamente o dobro dos valores obtidos para o cultivo com CO2 do ar atmosférico, demonstrando que a integração entre fermentadores e fotobiorreatores é uma boa alternativa para indústria alimentícia. Todos cultivos com D. tertiolecta apresentaram o mesmo perfil de carotenoides representado por 46,7 ± 2,0 % de luteína, 22,5 ± 1,6 % de β-caroteno, 9,50 ± 0,66 % de zeaxantina, 1,10 ± 0,16 % de α-caroteno e 20,2 ± 3,0 % para outros. / This study evaluated the growth of microalgae Dunaliella tertiolecta for CO2 biofixation released by brewing, recycling one of the greenhouse gases, reducing cost of raw material CO2 and adding value to produce lipids and natural carotenoids. For this, microalgae were cultivated in integrated systems between photobioreactors and fermenters. The difference in the cultures was the culture medium and the amount of CO2 produced. Initially, fermentation with medium YPD (Yeast Peptone Dextrose) in 2 L fermenters were coupled every 24 h to photobioreactors in 4 different conditions: 30 g L-1 of dextrose from 72 h culture of microalgae; 60 g L-1 of dextrose from 72 h culture of microalgae; 30 g L-1 of dextrose from 24 h culture of microalgae; and ranging dextrose concentration of (10 to 60) g L-1 from 24 h culture of microalgae (YPD (10-60)/24). The highest values for biomass, carotenoids, productivities and lipids were obtained in the condition YPD (10-60)/24. To reproduce this condition using beer wort, the substrate to product yield was determined and different volumes of beer wort where daily coupled to microalgae cultivations. The values obtained for cultures with CO2 released from these fermentations were 1.10 ± 0.05 g L-1 of biomass, 0.18 ± 0.01 g L-1 d-1 of biomass productivity, 0.58 ± 0.06 d-1 for the specific growth rate, 4.74 ± 0,59 mg g-1 of carotenoids per biomass, 0.86 ± 0.06 mg L-1 d-1 of carotenoids productivity and 13.5 ± 0.4 % (mass fraction) of lipids. These values were almost twice the values observed in the cultivation with CO2 of atmospheric air, showing that the integration between fermenters and photobioreactors is a good alternative to increase microalgae growth. All cultures with D. tertiolecta showed the same profile of carotenoids represented by 46.7 ± 2.0 % of lutein, 22.5 ± 1.6 % of β-carotene, 9.50 ± 0.66 % of zeaxanthin, 1.10 ± 0.16 % of α-carotene and 20.2 ± 3.0 % for others.

Orientadores: Aline Carvalho da Costa, Rubens Maciel Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-10T20:20:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Andrade_RafaelRamosde_M.pdf: 1587910 bytes, checksum: 8b9b9c8732f2cb239ee3db85845e7e92 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Entre os principais problemas relacionados à produção de etanol está a falta de robustez da fermentação em presença de flutuações na qualidade de matéria-prima, o que leva a mudanças no comportamento cinético com impacto no rendimento, produtividade e conversão. Esta falta de robustez pode ser levada em conta através de ajustes operacionais e de controle, que pode ser melhorado com o uso de um modelo matemático preciso. Neste trabalho, um procedimento para o desenvolvimento de um modelo matemático robusto, valido em uma grande faixa de condição operacional foi estabelecido. Este modelo considera o efeito da temperatura na cinética. Experimentos foram executados em modo batelada. O microrganismo utilizado foi Saccharomyces cerevisiae e o meio de cultura, melaço de cana de açúcar. O objetivo foi avaliar a dificuldade em atualizar os parâmetros cinéticos quando se tem mudanças nas condições de fermentação. Rendimento e produtividade foram analisados como funções de temperatura e concentração inicial de substrato. Neste trabalho foi executada também a otimização dos parâmetros cinéticos no processo de fermentação alcoólica. Parâmetros cinéticos foram determinados como função da temperatura para fermentações em batelada na faixa de temperatura de 30 até 38oC. Baseado em dados experimentais, um modelo diferencial que consiste em expressões para taxa de crescimento celular, consumo de substrato e formação de produto foi proposto. O objetivo foi desenvolver um procedimento para atualizar os parâmetros cinéticos sempre que mudanças nas condições de fermentação ocorrerem. Mudanças em condições operacionais são muito comuns em plantas de fermentação alcoólica, elas ocorrem não somente devido a variações na qualidade da matéria-prima, mas também devido a variações nas leveduras dominantes no processo. Também, o processo de fermentação alcoólica é exotérmico e pequenos desvios na temperatura podem deslocar o processo da condição de operação ótima. Assim, está claro que a principal dificuldade nas técnicas baseadas em modelos para definição de estratégias operacionais, controle e otimização, é o problema de obter um modelo preciso / Abstract: Among the main current problems related to industrial ethanol production is the lack of robustness of the fermentation in presence of fluctuations in the quality of raw material, which leads to changes in the kinetic behavior with impact on yield, productivity and conversion. This lack of robustness can be taken into account through operational and control adjustments, which can be aided by the use of an accurate mathematical model. In this work, a procedure to develop a robust mathematical model, valid in a large range of operational conditions, was established. This model considers the effect of temperature on the kinetics. Experiments were performed in batch mode. The microorganism used was Saccharomyces cerevisiae and the culture media, sugar-cane molasses. The objective was to assess the difficulty in updating the kinetic parameters when there are changes in fermentation conditions. Yield and productivity were analyzed as functions of temperature and initial substrate concentration. In this work we perform kinetic parameters optimization in alcoholic fermentation process. Kinetic parameters were determined as functions of temperature from batch fermentations at temperatures from 30 to 38oC. Based on experimental data, a differential model consisting of rate expressions for cell growth, substrate consumption and product formation was proposed. The objective is to develop a procedure to update the kinetic parameters always that changes in fermentation conditions occur. The lack of robustness of the fermentation in the presence of fluctuations in the quality of the raw material, which leads to changes in the kinetic behavior with impact on yield, productivity and conversion, is among the main current problems related to the alcoholic fermentation process. Changes in the operational conditions are quite common in plants of alcoholic fermentation; they occur not only due to the variations in the quality of the raw material but also due to variations of dominant yeast in the process. Also, the alcoholic fermentation process is exothermic and small deviations in temperature can dislocate the process from optimal operational conditions. Thus, it is clear that the main difficulty in model-based techniques for definition of operational strategies, control and optimization, is the problem of obtaining an accurate model / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O aproveitamento integral do pedÃnculo de caju, uma matÃria prima vastamente encontrada no Cearà e pouco aproveitada, aliado a produÃÃo de etanol, produto de valor energÃtico sÃo o foco desse projeto. O suco de caju integral, rico em frutose, glicose, sais e vitaminas, mostrou-se bastante adequado para o uso da levedura Saccharomyces cerevisiae no processo fermentativo alcoÃlico. A busca por melhorias na obtenÃÃo de etanol se deu atravÃs do estudo do uso de leveduras imobilizadas em suporte de bagaÃo de caju (SBC). A imobilizaÃÃo celular vem sendo estudada por inÃmeros pesquisadores e tem se mostrado uma tÃcnica importante devido aos benefÃcios e vantagens possibilitados como o aumento na produtividade. O bagaÃo de caju surge como uma matÃria prima barata e de fÃcil obtenÃÃo para a aplicaÃÃo da tÃcnica de imobilizaÃÃo. Para comparaÃÃo foram estudados os resultados com cÃlulas livres e imobilizadas em alginato de cÃlcio, um conhecido agente de imobilizaÃÃo de cÃlulas por encapsulamento e cÃlulas imobilizadas por adsorÃÃo em bagaÃo de caju. Utilizando cÃlulas imobilizadas em bagaÃo foram realizadas fermentaÃÃes preliminares, consecutivas e de estocagem. Foram verificados os seguintes parÃmetros cinÃticos: produtividade (Qp, g.L-1h-1), eficiÃncia (Ef, %), conversÃo substrato/biomassa (Yx/s, g.g-1) e conversÃo substrato/produto (Yp/s, g.g-1). O suporte de bagaÃo de caju atingiu vantagens com relaÃÃo a adesÃo e altas densidades celulares, gerando elevadas produtividades (≈ 5 g.L-1h-1). Com relaÃÃo a eficiÃncia e a taxa de conversÃo substrato/produto, cÃlulas imobilizadas atingiram valores similares aos obtidos com cÃlulas livres no suco de caju integral (em torno de 90% e 0,47 respectivamente). Outra vantagem foi a durabilidade e possibilidade de reutilizaÃÃo do suporte tornando o processo mais econÃmico, rÃpido e eficiente. O SBC mostrou-se apto a reutilizaÃÃo por no mÃnimo 10 bateladas consecutivas e se manteve estÃvel, em geladeira, por pelo menos 6 meses / The use of cashew apple peduncle, a vast available material found in Cearà that is usually wasted, combined with production of ethanol, is the focus of this project. Cashew apple juice, rich in fructose, glucose, salts and vitamins, is an appropriate raw material for alcoholic fermentation by the yeast Saccharomyces cerevisiae. The search for improvements in ethanol production in this work was achieved through the study of the use of yeast immobilized in cashew apple bagasse support, (SBC). Cell immobilization has been studied by many researchers and has been an important technique because of the possible benefits and advantages as the increase in productivity. Cashew apple bagasse is a cheap and easily accessible raw material to the application of the immobilization technique. As comparison, results with free, immobilized cells in calcium alginate, a known agent for immobilization by encapsulation, and immobilized cells by adsorption on SBC were studied. Preliminary fermentation assays using immobilized cells on SBC were performed, as well as consecutive and storage fermentations. The following kinetic parameters were checked: productivity (Qp, gL-1h-1), efficiency (Ef,%), substrate / biomass yield (Yx / s, g.g-1) and substrate / product yield (Yp / s, g.g - 1). SBC presented advantages, such as high cell densities and adhesion, generating high yields (≈ 5 g.L-1h-1). With respect to efficiency and rate of substrate / product yield, immobilized cells reached values similar to those obtained with free cells in the integral cashew apple juice (about 90% and 0.47 respectively). Another advantage is the durability and possibility of reuse of SBC making the process more economical, fast and efficient. SBC was reused for at least 10 consecutive batches and remained stable, at refrigerator, for 6 months

O aumento da participação dos biocombustíveis na matriz energética mundial pode ajudar a prolongar a existência das reservas de petróleo, mitigar as ameaças representadas pela mudança climática e permitir melhor segurança do fornecimento de energia em uma escala global. Neste cenário, o processo brasileiro da produção de etanol a partir da cana-de-açúcar tem ganhado papel de destaque, pelo alto rendimento e baixo custo da produção. Linhagens de S. cerevisiae são amplamente empregadas nas fermentações industriais e, embora sejam consideradas mais tolerantes em relação a outras, o processo brasileiro impõe uma variedade de fatores estressantes sob a mesma, afetando o seu metabolismo e crescimento. A fermentação com alto teor alcoólico, realizada a partir da utilização de mostos contendo altas concentrações de açúcares, é uma das maneiras mais eficientes de se obter elevados níveis de etanol. No entanto, tal tecnologia procede ocasionando efeitos deletérios adicionais à levedura. Neste contexto, aumentar a tolerância da levedura é de fundamental importância para alcançar um desempenho fermentativo satisfatório. Neste estudo foram avaliadas linhagens de S. cerevisiae, isogênicas a linhagem industrial CAT-1, com a sobre-expressão dos genes TRP1 e MSN2, envolvidos na biossíntese de triptofano e na resposta geral ao estresse, respectivamente. Tais linhagens foram avaliadas quanto ao seu potencial para realizar fermentações com alto teor alcoólico, simulando as condições industriais brasileiras. Os resultados revelaram que o gene MSN2, na versão truncada, favoreceu a linhagem principalmente com relação ao estresse osmótico, aumentando a velocidade de fermentação e o consumo de açúcares. O gene TRP1 promoveu maior crescimento da linhagem em meio YEPD com 8% de etanol, contudo, tornou a linhagem menos viável em concentrações acima deste nível. No presente trabalho também foi avaliado o efeito da suplementação de aminoácidos na fisiologia da linhagem CAT-1 em meio YNB e em mostos de melaço e xarope de cana-de-açúcar. A suplementação com histidida promoveu maior crescimento e viabilidade celular nos diferentes meios testados. Além de histidina, os aminoácidos lisina e alanina aumentaram o crescimento da CAT-1 em mosto de melaço. A suplementação de triptofano e asparagina também promoveu aumento da viabilidade celular em mosto de xarope. Por outro lado, nos testes em microplacas a suplementação com cisteína depreciou o crescimento da linhagem em meio YNB com 10 e 12% de etanol e em mosto de melaço com 20% de ART. Os resultados obtidos indicam que tanto a engenharia genética, quanto a suplementação de aminoácidos podem ser alternativas viáveis para aumentar a tolerância de S. cerevisiae, para suportar condições de múltiplo estresse, encontradas em destilarias brasileiras. / The expansion biofuels participation in the world energy matrix would help to extend the existence of fossil fuel reservoirs, mitigate the threats of climate change, and enable a better security of energy supply. The Brazilian process of ethanol production from sugarcane has gained an important role in the global energy scenario, for the high yield and low production cost. S. cerevisiae species is widely used in industrial fermentations for being resistant, but the Brazilian process imposes a variety of stressing factors to the yeast, affecting its metabolism and growth. The Very High Gravity Fermentation is performed by the utilization of musts with high sugar concentration and is one of the most efficient ways for obtaining high ethanol levels. However, this technology causes additional deleterious effects to the yeast. In this context, increasing yeast tolerance is of fundamental importance for a satisfactory fermentative performance. In this study we assessed S. cerevisiae strains - isogenic to the industrial strain CAT-1 - with over expression of TRP1 and MSN2 genes involved to tryptophan biosynthesis and in general stress response, respectively. These strains were evaluated for their potential to perform fermentations with high ethanol content, simulating the conditions of Brazilian distilleries. The results showed that the MSN2 gene in the truncated version improved strain mainly to respond to the osmotic stress, increasing in fermentation velocity and the consumption of sugars. The TRP1 gene overexpression promoted higher growth in YEPD medium with 8% ethanol, however, decreased viability at concentrations above this level. The present work also evaluated the effect of amino acid supplementation on the physiology of the CAT-1 strain in YNB medium and in molasses and syrup of sugarcane. Histidide supplementation increased the growth and cell viability in the different media tested. In addition to histidine, the amino acids lysine and alanine increased the growth of CAT-1 in molasses. Supplementation of tryptophan and asparagine also promoted increased cell viability in sugarcane syrup. On the other hand, in microplate assays, cysteine supplementation decreased growth in YNB medium with 10 and 12% ethanol, and in molasses with 20% ART. The results indicate that both genetic engineering and amino acid supplementation may be viable alternatives to increase tolerance of S. cerevisiae to supporting multiple stress conditions typical in Brazilian distilleries.

Estudou-se o processo descontínuo alimentado de fermentação alcoólica, utilizando-se mosto de melaço de cana-de-açúcar e Saccharomyces cerevisiae na forma de fermento prensado. Foram analisados a influência da vazão de alimentação exponencialmente decrescente e do tempo de enchimento do fermentador no comportamento do sistema, considerando os seguintes parâmetros: 1. produtividade em etanol e em células, 2. rendimento em etanol e 3. razão de crescimento celular. / The fed-batch ethanol fermentation of sugar-cane blackstrap molasses by the action of Saccharomyces cerevisiae (pressed yeast) was studied. The influence of exponencialy decreasing feeding rates and of the fermentor filling up time on the system behavior was analysed considering the following parameters: 1. ethanol and cell productivities, 2. ethanol yield and 3. cell growth ratio.