Utilizou-se um meio de cultivo a base de farinha de mandioca, suplementado com nutrientes, em fermentador agitado (700 rpm) e aerado (10 litros de ar/min), com volume de reação de 10 litros praticamente constante, fração de inóculo de 10% em volume, ph 4,0 e temperatura de 35ºC. Foram realizados ensaios com concentração total de açúcares de 20 g/l e 40 g/l, tanto descontínuos como descontínuos alimentados. Nestes variou-se a vazão mássica de alimentação (fs), o instante de início de alimentação e a condição do xarope de farinha (previamente hidrolisado ou não). Repetições dos ensaios descontínuos indicaram variabilidade de resultados elevada. Não se observou expressivas mudanças no crescimento microbiano, a não ser pelo aumento na velocidade específica nos ensaios descontínuos alimentados a 20 g/l. A síntese de glicoamilase foi sensivelmente aumentada nos ensaios descontínuos alimentados a 20 g/l (produtividade dobrada). A 40 g/l, obteve-se produtividade 26% superior. Os melhores resultados foram obtidos com fs=17,1 gart/h a so=20 g/l e fs=32,2 gart/h a 40 g/l, e obteve-se o pior no ensaio em que se alimentou desde o início de cultivo. A so=20 g/l a repressão se apresenta como principal mecanismo de controle de síntese de glicoamilase, não ocorrendo a mesma a 40 g/l, ensaios nos quais a indução tornou-se muito relevante. / In order to study different processes and the influence of control mechanism on glucoamylase synthesis, several batch and fed-batch runs were made with Aspergillus awamori NRRL 3112. A medium containing cassava flour and nutrients were used in a 10 liters stirred and aerated tank, at pH 4,0 and temperature 35 °C. The batch and fed-batch runs used 20 and 40 g of total reducing sugars (TRS) per liter. In the fed-batch runs, the carbon source feed rate (fs), the feeding start time, and whether the syrup were pre-hydrolyzed or not were varied. Repeated batch runs showed significant variability. Notable changes in cell growth were not observed, unless by the increase of the specific growth rate in the 20 gTRS/l fed-batch runs. The enzyme productivity doubled in the lower sugar concentration fed-batch runs, but increased just 26% in the runs with 40g/l of TRS. The best results were achieved at 20g/l with carbon source feed rate=17,1 gTRS/h and fs=32,2 gTRS/h at 40g/l. The worst noted when the feeding started at the beginning of the run. At 20 gTRS/l, repression showed as the main mechanism control in order to synthesize glucoamylase. On the other hand induction became the relevant factor when 40gTRS/l were offered to microorganism.

Utilizou-se um meio de cultivo a base de farinha de mandioca, suplementado com nutrientes, em fermentador agitado (700 rpm) e aerado (10 litros de ar/min), com volume de reação de 10 litros praticamente constante, fração de inóculo de 10% em volume, ph 4,0 e temperatura de 35ºC. Foram realizados ensaios com concentração total de açúcares de 20 g/l e 40 g/l, tanto descontínuos como descontínuos alimentados. Nestes variou-se a vazão mássica de alimentação (fs), o instante de início de alimentação e a condição do xarope de farinha (previamente hidrolisado ou não). Repetições dos ensaios descontínuos indicaram variabilidade de resultados elevada. Não se observou expressivas mudanças no crescimento microbiano, a não ser pelo aumento na velocidade específica nos ensaios descontínuos alimentados a 20 g/l. A síntese de glicoamilase foi sensivelmente aumentada nos ensaios descontínuos alimentados a 20 g/l (produtividade dobrada). A 40 g/l, obteve-se produtividade 26% superior. Os melhores resultados foram obtidos com fs=17,1 gart/h a so=20 g/l e fs=32,2 gart/h a 40 g/l, e obteve-se o pior no ensaio em que se alimentou desde o início de cultivo. A so=20 g/l a repressão se apresenta como principal mecanismo de controle de síntese de glicoamilase, não ocorrendo a mesma a 40 g/l, ensaios nos quais a indução tornou-se muito relevante. / In order to study different processes and the influence of control mechanism on glucoamylase synthesis, several batch and fed-batch runs were made with Aspergillus awamori NRRL 3112. A medium containing cassava flour and nutrients were used in a 10 liters stirred and aerated tank, at pH 4,0 and temperature 35 °C. The batch and fed-batch runs used 20 and 40 g of total reducing sugars (TRS) per liter. In the fed-batch runs, the carbon source feed rate (fs), the feeding start time, and whether the syrup were pre-hydrolyzed or not were varied. Repeated batch runs showed significant variability. Notable changes in cell growth were not observed, unless by the increase of the specific growth rate in the 20 gTRS/l fed-batch runs. The enzyme productivity doubled in the lower sugar concentration fed-batch runs, but increased just 26% in the runs with 40g/l of TRS. The best results were achieved at 20g/l with carbon source feed rate=17,1 gTRS/h and fs=32,2 gTRS/h at 40g/l. The worst noted when the feeding started at the beginning of the run. At 20 gTRS/l, repression showed as the main mechanism control in order to synthesize glucoamylase. On the other hand induction became the relevant factor when 40gTRS/l were offered to microorganism.

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Nevertheless, its production process still needs further improvements in order to achieve industrial feasibility. Despite the massive experimental effort in this area, threshold values to be pursued in order to attain an economically feasible process are still missing. In this context, this study focused on constructing a methodology for economic evaluation of early-stage developing processes, such as second generation ethanol, aiming to show the R&D area directions to be followed for a successful industrial implementation of the process. The systematic procedure integrates bioprocess systems engineering (PSE) and economic engineering tools to perform a “retro” tecno-economic analysis. This analysis is able to identify the main process variables that influence the economic feasibility of the process and their target values. Initially, the methodology was tested on a case study involving the production of succinic acid from sucrose by fermentation. The methodology was able to eliminate one of the variables initially considered (sucrose conversion), due to its low influence on the process feasibility. Additionally, target values were obtained for the succinic acid concentration in the fermenter as a function of the selectivity and the specific productivity (the process variables chosen). Finally, the integrated production of ethanol from sugarcane juice and bagasse (first and second generation ethanol, respectively) was assessed. The three variables with the highest effect on the economic feasibility of the process were: the biocatalyst yield, the sucrose conversion and the solid mass fraction, both in the hydrolysis reactor. The reactor productivity, on the other hand, had little impact on the process feasibility. Besides, the experimental results already achieved the values needed for this variable. In general, the methodology was able to yield important information about both case studies required improvements for achieving economic feasibility. Although used in biochemical processes, the methodology is general, applying to all types of chemical processes. / A produção de etanol lignocelulósico, o chamado etanol de segunda geração, é uma alternativa promissora para diminuir a dependência energética global dos combustíveis fósseis. Entretanto, um desenvolvimento maior de seu processo de produção ainda é necessário para sua efetiva implementação industrial. Apesar do grande esforço experimental na área, ainda não existem informações claras sobre os valores limites a serem alcançados nas diversas etapas de processo para que esse se torne economicamente viável. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi construir uma metodologia para avaliação econômica de processos em estágio inicial de desenvolvimento, como é o caso do etanol de segunda geração, indicando à área de P&D direções a serem seguidas para sua viável implementação industrial. Tal procedimento sistemático integra ferramentas de engenharia de bioprocessos e sistemas e engenharia econômica para realizar uma análise tecno-econômica “reversa”, que permite obter as variáveis que mais influenciam a viabilidade do processo, bem como seus valores limites para que tal viabilidade seja alcançada. Inicialmente, a metodologia proposta foi testada em um estudo de caso envolvendo o processo de produção de ácido succínico a partir da sacarose por rota fermentativa. Nesse processo, a metodologia conseguiu eliminar uma das variáveis inicialmente consideradas (a conversão da sacarose), devido a sua baixa influência. Além disso, foram obtidos valores mínimos para a concentração de ácido succínico no fermentador em função da seletividade e da produtividade específica (as variáveis de processo escolhidas). Em seguida, considerou-se a produção integrada de etanol a partir do caldo e do bagaço de cana-de-açúcar, etanol de primeira e segunda geração, respectivamente. As três variáveis com maior impacto na viabilidade econômica do processo foram: o rendimento do biocatalisador, a conversão da celulose no reator de hidrólise e a fração de sólidos nesse reator. A produtividade do reator, por outro lado apresentou baixo impacto na viabilidade, além de os resultados experimentais já estarem no patamar necessário para essa variável. De modo geral, a metodologia foi aplicada com sucesso aos estudos de caso escolhidos, produzindo dados importantes quanto às melhorias necessárias para que os processos alcancem a viabilidade econômica. Apesar de ter sido aplicada a bioprocessos, a metodologia é geral, sendo adequada ao estudo econômico de qualquer processo químico.