Nos últimos anos, é crescente a busca por tecnologias que permitam que a produção de álcool gerado a partir de fontes renováveis substitua os principais combustíveis utilizados atualmente, que são provenientes do petróleo. A utilização dos resíduos gerados a partir dos processos agrícolas, que são ricos em açúcares, é uma alternativa para a produção de bioetanol pela levedura Saccharomyces cerevisiae. Os processos utilizados com esse fim, como a hidrólise ácida diluída, geram uma diversidade de açúcares (pentoses e hexoses), como glicose, manose, xilose e arabinose. Além dos açúcares, ocorre a geração de compostos tóxicos às células, como furfural, 5-hidroximetilfurfural (HMF), compostos fenólicos e ácidos orgânicos, e também alta pressão osmótica. Além disso, S. cerevisiae não é capaz de utilizar pentoses como fonte de carbono para fermentação, e a viabilidade econômica desse processo depende da conversão quase total de todos os açúcares a etanol. Com isso é necessário o uso de linhagens fermentadoras de pentoses e hexoses que sejam resistentes às toxinas geradas, para que o hidrolisado seja utilizado sem um processo prévio de destoxificação. Nesse trabalho, foi obtida por engenharia evolutiva uma linhagem de de S. cerevisiae resistente ao HMF, nomeada P6H9. Foi avaliada a indução da expressão gênica na presença de HMF e observou-se que os genes ADH7 E ARI1 são responsáveis pela resistência a esse composto. Também foi possível observar que as mudanças no metabolismo dessa levedura para destoxificação do meio não possibilitam o aumento na produção de etanol. Também foi obtida uma linhagem da levedura fermentadora de pentoses Wickerhamomyces anomalus resistente a furfural e HMF, nomeada WA-HF5,5. Foi possível definir a grande importância das enzimas álcool desidrogenases na destoxificação desses compostos. Finalmente, essas duas leveduras foram avaliadas quanto à capacidade de produção de etanol em hidrolisados lignocelulósicos de casca de soja e casca de arroz, isoladamente, ou em sistemas de co-cultivos em frascos agitados. As melhores produtividades em etanol foram apresentadas em hidrolisado de casca de arroz, e os cultivos foram escalonados para sistemas de biorreatores. Foi observado que o sistema de co-cultivo possui vantagens e grande potencial para a produção de etanol de segunda geração. / In recent years, there is a crescent interest for technologies that enable the production of alcohol originated from renewable sources, in replacement of the fossil fuels. The use of waste generated from agricultural processes, which are rich in sugars, is an alternative for the production of bioethanol by the yeast Saccharomyces cerevisiae. The processes used for this purpose, such as dilute acid hydrolysis, releases a diversity of sugars (pentoses and hexoses), such as glucose, mannose, xylose and arabinose. In addition to sugars, toxic compounds to cells are also generated, such as furfural, 5-hydroxymethylfurfural (HMF), phenolic compounds, organic acids, and also high osmotic pressure. The economic feasibility of the process depends of the complete conversion of major sugars present ih the medium to ethanol. As S. cerevisiae is not able to metabolize pentoses, it is necessary to use strains that ferment pentoses and hexoses to ethanol, which are resistant to the toxins formed, in order to the hydrolyzate be fermented without previous detoxification processes.In this work, a strain of S. cerevisiae resistant to HMF, named P6H9, was obtained by evolutionary engineering. It was observed that the ARI1 and ADH7 genes are responsible for HMF resistance. It was also observed that the detoxification process causes changes in the metabolism of this yeast. Because of that, it is not possible increase the ethanol production. A strain of the fermenting pentoses yeast Wickerhamomyces anomalus was also obtained by evolutionary engineering, that is resistant to furfural and HMF. This strain is named WA-HF5, 5. On physiological evaluations, it was clear that alcohol dehydrogenase activity possesses importance in furaldehydes detoxification. Finally, the ability of these two strains produce ethanol in lignocellulosic hydrolysates was investigated. Best yields of ethanol were presented in rice hull hydrolysate. It was observed that the co-culture system shows advantages and have potential for the production of second generation ethanol.

Nos últimos anos, é crescente a busca por tecnologias que permitam que a produção de álcool gerado a partir de fontes renováveis substitua os principais combustíveis utilizados atualmente, que são provenientes do petróleo. A utilização dos resíduos gerados a partir dos processos agrícolas, que são ricos em açúcares, é uma alternativa para a produção de bioetanol pela levedura Saccharomyces cerevisiae. Os processos utilizados com esse fim, como a hidrólise ácida diluída, geram uma diversidade de açúcares (pentoses e hexoses), como glicose, manose, xilose e arabinose. Além dos açúcares, ocorre a geração de compostos tóxicos às células, como furfural, 5-hidroximetilfurfural (HMF), compostos fenólicos e ácidos orgânicos, e também alta pressão osmótica. Além disso, S. cerevisiae não é capaz de utilizar pentoses como fonte de carbono para fermentação, e a viabilidade econômica desse processo depende da conversão quase total de todos os açúcares a etanol. Com isso é necessário o uso de linhagens fermentadoras de pentoses e hexoses que sejam resistentes às toxinas geradas, para que o hidrolisado seja utilizado sem um processo prévio de destoxificação. Nesse trabalho, foi obtida por engenharia evolutiva uma linhagem de de S. cerevisiae resistente ao HMF, nomeada P6H9. Foi avaliada a indução da expressão gênica na presença de HMF e observou-se que os genes ADH7 E ARI1 são responsáveis pela resistência a esse composto. Também foi possível observar que as mudanças no metabolismo dessa levedura para destoxificação do meio não possibilitam o aumento na produção de etanol. Também foi obtida uma linhagem da levedura fermentadora de pentoses Wickerhamomyces anomalus resistente a furfural e HMF, nomeada WA-HF5,5. Foi possível definir a grande importância das enzimas álcool desidrogenases na destoxificação desses compostos. Finalmente, essas duas leveduras foram avaliadas quanto à capacidade de produção de etanol em hidrolisados lignocelulósicos de casca de soja e casca de arroz, isoladamente, ou em sistemas de co-cultivos em frascos agitados. As melhores produtividades em etanol foram apresentadas em hidrolisado de casca de arroz, e os cultivos foram escalonados para sistemas de biorreatores. Foi observado que o sistema de co-cultivo possui vantagens e grande potencial para a produção de etanol de segunda geração. / In recent years, there is a crescent interest for technologies that enable the production of alcohol originated from renewable sources, in replacement of the fossil fuels. The use of waste generated from agricultural processes, which are rich in sugars, is an alternative for the production of bioethanol by the yeast Saccharomyces cerevisiae. The processes used for this purpose, such as dilute acid hydrolysis, releases a diversity of sugars (pentoses and hexoses), such as glucose, mannose, xylose and arabinose. In addition to sugars, toxic compounds to cells are also generated, such as furfural, 5-hydroxymethylfurfural (HMF), phenolic compounds, organic acids, and also high osmotic pressure. The economic feasibility of the process depends of the complete conversion of major sugars present ih the medium to ethanol. As S. cerevisiae is not able to metabolize pentoses, it is necessary to use strains that ferment pentoses and hexoses to ethanol, which are resistant to the toxins formed, in order to the hydrolyzate be fermented without previous detoxification processes.In this work, a strain of S. cerevisiae resistant to HMF, named P6H9, was obtained by evolutionary engineering. It was observed that the ARI1 and ADH7 genes are responsible for HMF resistance. It was also observed that the detoxification process causes changes in the metabolism of this yeast. Because of that, it is not possible increase the ethanol production. A strain of the fermenting pentoses yeast Wickerhamomyces anomalus was also obtained by evolutionary engineering, that is resistant to furfural and HMF. This strain is named WA-HF5, 5. On physiological evaluations, it was clear that alcohol dehydrogenase activity possesses importance in furaldehydes detoxification. Finally, the ability of these two strains produce ethanol in lignocellulosic hydrolysates was investigated. Best yields of ethanol were presented in rice hull hydrolysate. It was observed that the co-culture system shows advantages and have potential for the production of second generation ethanol.

SILVA, J. S. Processo fermentativo para produção de etanol utilizando glicerol bruto como substrato. 69 f. 2010. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2010. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2016-03-28T18:14:26Z No. of bitstreams: 1 2010_dis_jssilva.pdf: 3862057 bytes, checksum: 12e4aa3679225b83ccd23300bf5cf8b4 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2016-03-28T19:04:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2010_dis_jssilva.pdf: 3862057 bytes, checksum: 12e4aa3679225b83ccd23300bf5cf8b4 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-28T19:04:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2010_dis_jssilva.pdf: 3862057 bytes, checksum: 12e4aa3679225b83ccd23300bf5cf8b4 (MD5) Previous issue date: 2010-02-26 / The aim of this work was to investigate the use of glycerol from biodiesel industry (raw glycerol) as a substrate in fermentation assays for production of ethanol. The assays were performed in shaker with agitation of 200 rpm, at temperatures of 30 and 37 °C, respectively for the microorganisms Saccharomyces sp. 1238 and 224 Escherichia coli ATCC 25922. In experiments with yeast Saccharomyces sp., it was varied concentrations of glycerol from fermentation medium at 0.5, 1.0 and 5.0 % v/v and the inoculum was set to 1% w/v. It was observed that the microorganism Saccharomyces sp. could not use glycerol as carbon source for ethanol production, but in assays using glucose, this substrate was rapidly consumed by the microorganism achieving an ethanol production of 5.5 g/L. It was varied the concentration of glycerol added to the fermentation medium: 1, 10, 15 and 20 g/L when Escherichia coli was used. By analyzing the influence of substrate concentration in fermentations, it can be concluded that the best condition for ethanol production, with this microorganism, was initial concentration of glycerol of 10 g/L. The consumption of glycerol by Escherichia coli was affected by the change of substrate concentration. It was observed that ethanol was produced after 8 h of fermentation with both raw and PA glycerol at 10, 15 and 20 g/L. It also observed the formation of acetic acid in the first hours of fermentation. The production of acetic acid was low, reaching a concentration of 0.15 g/L in fermentation using 10 g/L of raw glycerol. Analyzing the two microorganisms studied, it was found that only 224 bacteria Escherichia coli ATCC 25922 was adequate to the aim of this research, since the yeast was not produced ethanol in significant amounts. / Este trabalho teve como objetivo estudar a utilização de glicerol oriundo da indústria do biodiesel (glicerol bruto) como substrato em ensaios fermentativos para a produção de etanol. Os ensaios foram realizados em mesa agitadora com velocidade de 200 rpm, nas temperaturas de 30 e 37 °C, respectivamente para os microrganismos Saccharomyces sp. 1238 e Escherichia coli 224 ATCC 25922. Nos experimentos realizados com a levedura Saccharomyces sp., variaram-se as concentrações de glicerol adicionado ao meio fermentativo em 0,5; 1,0 e 5,0 % v/v e fixou-se o volume de inóculo em 1 % m/v. Observou-se que o microrganismo Saccharomyces sp. não utilizou glicerol como fonte de carbono para produção de etanol, porém em ensaios teste com glicose P.A., observou-se que este substrato foi rapidamente consumido pelo microrganismo apresentando uma produção de etanol de 5,5 g/L. Nas fermentações com a bactéria Escherichia coli, variou-se a concentração de glicerol adicionado ao meio fermentativo em: 1, 10, 15 e 20 g/L. Pela avaliação da influência da concentração de substrato no meio através dos resultados obtidos, pode-se concluir que a melhor condição para a produção de etanol com esse microrganismo foi a concentração inicial de 10 g/L de glicerol. O consumo de glicerol pela bactéria Escherichia coli foi afetado pela variação deste substrato. Observou-se que o etanol foi produzido a partir de 8 h de cultivo nas fermentações tanto com glicerol bruto quanto P.A. nas concentrações de 10, 15 e 20 g/L adicionado ao meio de cultivo. Observou-se também a formação de ácido acético nas primeiras horas da fermentação. A produção de ácido acético foi baixa, atingindo a concentração de 0,15 g/L na fermentação utilizando 10 g/L de glicerol bruto. Analisando os dois microrganismos estudados, verificou-se que apenas a bactéria Escherichia coli 224 ATCC 25922 mostrou-se adequada ao objetivo desta pesquisa, já que com a levedura não foi produzido etanol em quantidade significativa.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:24Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-09-13Bitstream added on 2014-06-13T18:31:31Z : No. of bitstreams: 1 ventura_r_me_rcla.pdf: 536456 bytes, checksum: fc2eda253c87b88ee77bbe59f11812a1 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O ácido lático foi quantificado no processo produtivo de várias destilarias do estado de São Paulo, com ênfase na fermentação, onde esse produto representa perdas de rendimento e afeta o metabolismo da levedura. As análises foram realizadas por meio de aparelhos dotados de tecnologia de enzima imobilizada, específicos para o isômero L(+) lactato e os resultados correlacionados com outros parâmetros do processo, obtidos pelas análises usuais. Na cana colhida, o teor de ácido lático variou entre 10,0 a 297,0 mg/L, de acordo com estágio de deterioração da matéria-prima. Nas destilarias anexas à fábrica de açúcar, o ácido lático foi detectado desde o caldo extraído nas moendas, onde se observou valor mínimo de 10 mg/L, até o mel final, no qual verificou-se teor superior a 8.800 mg/L. Nas fermentações contínuas registraram-se as maiores produções de ácido lático, superando 3700 mg/L – equivalente a mais de 6% (m/v) do álcool produzido, enquanto que em batelada alimentada conseguiu-se manter teores ao redor de 300 mg/L por 16 ciclos fermentativos. Bactérias isoladas de diferentes destilarias, e inoculadas individualmente em fermentações em laboratório, produziram quantidades distintas de ácido lático, de acordo com a espécie. Essa metodologia também foi empregada na avaliação da eficácia dos antibacterianos, usados freqüentemente nas destilarias brasileiras. Em fermentações tratadas com produtos específicos, a diminuição da atividade bacteriana determinou a queda na produção de ácido lático em mais de 70% em um ciclo fermentativo. / The lactic acid was quantified in the ethanol production process of several distilleries of São Paulo State, especially in fermentation, where such product represents low yield and affects the metabolism of the yeast. The analysis were performed by equipments based on immobilized enzyme technology, specific for the isomer L(+) lactate and the results were correlated with others process parameters, got by the current methods. In the harvested cane, the lactic acid content varied from 10,0 to 297,0 mg/L, according to the deterioration of the raw material. In distilleries inside sugar factories, the lactic acid was quantified since the juice from crushers, where the registered values range from minimum of 10 mg/L until the molasses, in which values up to 8.800 mg/L were found. In the continuos fermentation it was registred the highest amount of lactic acid, up to 3.700 mg/L, corresponding to more than 6% of ethanol produced, while in fed batch it kept around 300 mg/L for 16 fermentaion cicles. Isolated from different distilleries, inoculated in laboratory fermentations, produced distinghished amount of lactic acid, according to the species. The method proposed also was used in the evaluation of efficacy of bactericidal, commonly used in the Brazilian distilleries. In fermentation treated with specific products, the reduction of bacterial activity leads the drop of lactic acid production up to 70% in one fermentation cicle.

Dentre as leveduras selvagens mais comumente encontradas na fermentação alcoólica, destaca-se o gênero Saccharomyces apresentando colônias rugosas com células dispostas em cachos (pseudohifas). Este biótipo de levedura tem sempre sido associado com problemas na indústria, ocasionando queda no rendimento fermentativo. Sendo assim, o presente trabalho teve por objetivo realizar a caracterização genética, morfo-fisiológica e da resistência ao estresse de linhagens de Saccharomyces cerevisiae que apresentam colônias rugosas e mucosas, buscando alternativas que possam contribuir para o manejo dessas leveduras selvagens (rugosas) na fermentação alcoólica. Foram realizados testes de caracterização para crescimento invasivo, atividade killer, temperatura, pH, concentração de etanol e açúcar, presença de actidione, floculação e capacidade fermentativa, utilizando-se 22 linhagens de leveduras (11 rugosas e 11 mucosas) selecionadas previamente por seqüenciamento da região ITS do DNA ribossomal. O efeito do tratamento ácido em diferentes valores de pH sobre o crescimento de duas linhagens (52 rugosa e PE-02 mucosa) foi também avaliado, seguido do monitoramento do crescimento em meio de caldo de cana após tratamento ácido. Em seguida, testes fermentativos em meio de caldo de cana foram conduzidos em culturas puras e mista dessas linhagens. Os testes de caracterização morfofisiológica mostraram que a invasividade em meio YEPD Agar ocorreu em baixa freqüência dentre as 22 leveduras testadas; dez dentre onze leveduras rugosas apresentaram taxa de floculação expressiva, e entre as mucosas a floculação foi praticamente inexistente; nenhuma das linhagens apresentou produção de toxina killer; as linhagens com colônias rugosas apresentaram capacidade fermentativa significativamente inferior às linhagens com colônias mucosas, em sistema de batelada com ciclo único de 48 horas em meio de caldo de cana, demonstrando velocidade mais lenta de fermentação. Quanto à resistência ao estresse por temperatura, pH, etanol e concentração de açúcar, as linhagens mucosas tiveram maior resistência à acidez do meio, enquanto as linhagens rugosas foram mais resistentes às concentrações elevadas de etanol e açúcar. Nenhuma levedura foi resistente ao actidione. A análise genética, através dos loci microssatélites, revelou a presença de dois grupos principais relacionados geneticamente, sendo o primeiro ramo constituído principalmente de colônias rugosas (67%), contendo, no entanto, a linhagem PE-02, apresentando linhagens com alta taxa de floculação e tolerância às altas concentrações de açúcar e etanol; o outro grupo (com três subgrupos) compreendeu principalmente colônias mucosas, apresentando pouca resistência às situações estressantes aqui estudadas. A levedura com colônia rugosa (linhagem 52) foi bastante afetada pelo tratamento ácido em valores de pH 1,0 e 1,5, ao contrário da levedura com colônia mucosa (PE-02). A fermentação em sistema de batelada com reciclo celular e tratamento ácido conduzido em pH 1,5 teve efeito sobre o crescimento da levedura rugosa quando em cultura mista com a levedura mucosa, não resultando em prejuízo à eficiência fermentativa, quando comparada com a cultura pura da PE-02. Em cultura pura da levedura rugosa, constatou-se eficiência fermentativa por volta de 60%, confirmando o baixo desempenho destas leveduras. O conhecimento das respostas das leveduras rugosas 12 às situações estressantes pode ajudar a manejar a fermentação alcoólica para minimizar o efeito da levedura contaminante. / Among the wild yeasts more commonly found in the alcoholic fermentation, wrinkled colonies with pseudohyphal morphology belonging to Saccharomyces genus are highlighted. This yeast biotype has been associated with industrial problems, resulting in the decrease of the fermentative yield. In this context, this work aimed to perform the genetic, morphological/physiological characterization and stress tolerance of Saccharomyces cerevisiae strains which exhibited wrinkled and mucous colonies, searching for alternatives that could contribute to the management of these wild yeasts (wrinkled colonies) in the alcoholic fermentation. Characterization tests for invasiveness in Agar medium, killer activity, temperature, pH, ethanol and sugar concentration, actidione, flocculation and fermentative capacity were carried out with 22 strains (11 wrinkled and 11 mucous colonies), which were screened previously by the sequencing of the ITS region of the ribosomal DNA. The effect of the acid treatment using different pH values over the growth of two strains (52 wrinked and PE-02 mucous) was also evaluated, following the growth monitoring in sugar cane juice after acid treatment. Fermentative tests in sugar cane juice were carried out with pure and mixed cultures of these strains. The morphological/physiological tests showed that the invasiveness in YEPD Agar medium occurred in low frequency among the 22 strains tested; ten out of eleven wrinked yeasts exhibited expressive flocculation, and among the mucous, the flocculation was near zero; none of the strains showed killer activity; the wrinkled colonies presented lower fermentative capacity comparing to mucous colonies, in a 48- hour cycle in batch system using sugar cane juice, with slower fermentation rate. Concerning the resistance to temperature, pH, ethanol and sugar concentration, the mucous colonies were more resistant to low pH, while the wrinkled colonies were more resistant to the elevated ethanol and sugar concentrations. None of the yeasts were resistant to actidione. The genetic analysis by microsatellite loci revealed the presence of two main genetic related groups, the first branch comprised mainly of wrinkled colonies (67%), containing however the PE-02 strain, showing strains with high flocculation rate and tolerance to high concentration of sugar and ethanol; the other group (with three subgroups) comprised mainly mucous colonies, showing lower resistance to the stressing conditions here studied. The yeast with wrinkled colony (strain 52) was severely affected by the acid treatment in pH values of 1.0 and 1.5, but the same did not occur with the mucous colony (PE-02). The batch fermentation with cell recycle and acid treatment in pH 1.5 had effect over the wrinkled yeast growth when in mixed culture with the mucous yeast, and did not impair the fermentative efficiency comparing to the pure culture of PE-02. In pure culture with the wrinkled colony, a fermentative efficiency as low as 60% was observed, confirming the low performance of these yeasts. The knowledge of the response to stressful conditions exhibited by the yeasts with wrinkled colonies can help to manage the alcoholic fermentation in order to minimize the effect of the contaminant yeast.

No contexto energético o bioetanol tem recebido considerável atenção, por questões ambientais e também pela redução da dependência dos combustíveis de origem fóssil. Embora o Brasil seja o segundo maior produtor mundial de etanol, a produção está concentrada em determinadas regiões, enquanto o Rio Grande do Sul é basicamente um importador. Para mudar tal situação, a batata-doce é uma matéria-prima atrativa, por ser rica em amido e possuir características agronômicas vantajosas. Visando colaborar para a viabilização em maior escala da produção de etanol a partir de batata-doce, o presente trabalho reúne estudos sobre este tema. De trabalhos anteriores desenvolvidos no GIMSCOP, ficou o desafio da obtenção de teores de etanol no vinho entre 10 – 12% (v/v), o que foi alcançado neste trabalho com o aumento da concentração batata: água para 1,5 kg: 1 L. A enzima comercial Stargen 002, recomendada pelo fabricante para o amido granular, foi utilizada para a hidrólise. Em ensaios amido granular vs. batata pré-aquecida em banho-maria (a 76oC), foi obtido um teor de etanol de 9,25% (v/v) em 24 h com o aquecimento prévio, enquanto que com a batata-doce crua o teor foi de 6,13% (v/v) em 58 h. Portanto, o método com a batata pré-aquecida foi selecionado, onde após o pré-aquecimento três processos são conduzidos em única etapa: hidrólise, fermentação e redução da viscosidade. Como resultado de um planejamento composto central, a temperatura e o tempo do processo apresentaram efeitos significativos, com maior sensibilidade à temperatura do que ao tempo. Como a temperatura praticada já estava em torno do ótimo (34oC), o maior ganho foi na redução do tempo, de 24h para 19h. Objetivando aumentar a eficiência de conversão, foi avaliado o efeito do pré-aquecimento em micro-ondas e também do amadurecimento da batata pós-colheita (atuação das próprias amilases ao longo do tempo). O amadurecimento foi positivo, o pico na produção de etanol foi em 25 dias após a colheita. Não foi observado ganho no pré-aquecimento com micro-ondas. Na estimativa de custos do processo, a levedura e a matéria-prima implicaram nas maiores frações do custo total. Visando um futuro processo de destilação com injeção de CO2, é apresentado um estudo teórico-experimental sobre o equilíbrio da mistura água-etanol-CO2 incluindo o estudo experimental de injeção de CO2 em um vinho de batata-doce. Viu-se que são necessários aperfeiçoamentos no modelo e no aparato experimental. Contudo, os resultados experimentais mostraram que se conseguem maiores concentrações de etanol no condensado nas menores vazões de CO2. Foi identificada uma relação linear entre a umidade da batata-doce e o teor de açúcares redutores totais (ART), resultando em uma proposta de estimativa interessante pela praticidade, mas se aconselha que a curva seja construída com dados de um tipo de batata e de fontes controladas. Também, um bom ajuste de curva requer que o método analítico empregado na produção dos pontos seja confiável. Foi iniciado um estudo comparativo de métodos, que deve ser continuado a fim de maximizar a quantificação de glicose com o menor custo de análise. / In the energy context ethanol has received considerable attention due to environmental issues and also by reducing the fossil fuels dependence. Although Brazil is the second largest ethanol producer in the world, the production is concentrated in certain regions, whereas Rio Grande do Sul state is practically an exclusive importer. To change this situation, sweet potato is a very attractive feedstock, because it is rich in starch and has favorable agronomic characteristics. Aiming to contribute to the viability of ethanol production from sweet potato in larger scale, this work brings studies upon this topic. In GIMSCOP's previous works, there was the challenge of obtaining ethanol concentration in wine between 10 – 12% (v/v), which was achieved in this work, by increasing the concentration potato: water to 1.5 kg: 1 L. The commercial enzyme Stargen 002 was used for hydrolysis, the manufacturer indicates it to the granular starch. In experiments: granular starch vs. potato preheated in water bath (at 76oC), was obtained an ethanol content 9.25% (v/v) in 24 h when applying the preheating, whereas with raw sweet potato the ethanol content was 6.13% (v/v) in 58 h. Therefore, the preheating method was selected, where after preheating three processes are conducted in a single stage: hydrolysis, fermentation and reduction of viscosity. A central composite design was carried out, the temperature and process time showed significant effects, with higher sensitivity to temperature than time. However, the practiced temperature was already around the optimum (34oC), the most important gain was the time reducing, from 24 h to 19 h. In order to increase conversion efficiency, was evaluated the effect of pre-heating in microwave and also sweet potato ripening over post-harvest (action of own amylases over time). The ripening was positive, the ethanol production peak was at 25 days after harvest. There was no gain in the preheating with microwave. In the process's costs estimation, the yeast and feedstock resulted in the largest fraction of total cost. Aiming a future process of distillation with CO2 injection, this work presents a theoretical and experimental study of the mixture water-ethanol-CO2 equilibrium, also there is an experimental study of CO2 injection through a sweet potato wine. It was seen that improvement is needed in the model and the experimental apparatus. However, experimental results showed that higher ethanol concentrations can be obtained in the condensate with lower CO2 flows. A linear relationship was found between the sweet potato moisture and the total reducing sugars (TRS), resulting in an interesting proposal for estimating due to practicality, but it is advisable that the curve be constructed with data from a kind of sweet potato with controlled sources. Also, a good curve fitting requires a reliable analytical method when obtaining the experimental points. A comparative study between methods was initiated, and it must be continued, in order to maximize the glucose quantification with lower cost analysis.

No contexto energético o bioetanol tem recebido considerável atenção, por questões ambientais e também pela redução da dependência dos combustíveis de origem fóssil. Embora o Brasil seja o segundo maior produtor mundial de etanol, a produção está concentrada em determinadas regiões, enquanto o Rio Grande do Sul é basicamente um importador. Para mudar tal situação, a batata-doce é uma matéria-prima atrativa, por ser rica em amido e possuir características agronômicas vantajosas. Visando colaborar para a viabilização em maior escala da produção de etanol a partir de batata-doce, o presente trabalho reúne estudos sobre este tema. De trabalhos anteriores desenvolvidos no GIMSCOP, ficou o desafio da obtenção de teores de etanol no vinho entre 10 – 12% (v/v), o que foi alcançado neste trabalho com o aumento da concentração batata: água para 1,5 kg: 1 L. A enzima comercial Stargen 002, recomendada pelo fabricante para o amido granular, foi utilizada para a hidrólise. Em ensaios amido granular vs. batata pré-aquecida em banho-maria (a 76oC), foi obtido um teor de etanol de 9,25% (v/v) em 24 h com o aquecimento prévio, enquanto que com a batata-doce crua o teor foi de 6,13% (v/v) em 58 h. Portanto, o método com a batata pré-aquecida foi selecionado, onde após o pré-aquecimento três processos são conduzidos em única etapa: hidrólise, fermentação e redução da viscosidade. Como resultado de um planejamento composto central, a temperatura e o tempo do processo apresentaram efeitos significativos, com maior sensibilidade à temperatura do que ao tempo. Como a temperatura praticada já estava em torno do ótimo (34oC), o maior ganho foi na redução do tempo, de 24h para 19h. Objetivando aumentar a eficiência de conversão, foi avaliado o efeito do pré-aquecimento em micro-ondas e também do amadurecimento da batata pós-colheita (atuação das próprias amilases ao longo do tempo). O amadurecimento foi positivo, o pico na produção de etanol foi em 25 dias após a colheita. Não foi observado ganho no pré-aquecimento com micro-ondas. Na estimativa de custos do processo, a levedura e a matéria-prima implicaram nas maiores frações do custo total. Visando um futuro processo de destilação com injeção de CO2, é apresentado um estudo teórico-experimental sobre o equilíbrio da mistura água-etanol-CO2 incluindo o estudo experimental de injeção de CO2 em um vinho de batata-doce. Viu-se que são necessários aperfeiçoamentos no modelo e no aparato experimental. Contudo, os resultados experimentais mostraram que se conseguem maiores concentrações de etanol no condensado nas menores vazões de CO2. Foi identificada uma relação linear entre a umidade da batata-doce e o teor de açúcares redutores totais (ART), resultando em uma proposta de estimativa interessante pela praticidade, mas se aconselha que a curva seja construída com dados de um tipo de batata e de fontes controladas. Também, um bom ajuste de curva requer que o método analítico empregado na produção dos pontos seja confiável. Foi iniciado um estudo comparativo de métodos, que deve ser continuado a fim de maximizar a quantificação de glicose com o menor custo de análise. / In the energy context ethanol has received considerable attention due to environmental issues and also by reducing the fossil fuels dependence. Although Brazil is the second largest ethanol producer in the world, the production is concentrated in certain regions, whereas Rio Grande do Sul state is practically an exclusive importer. To change this situation, sweet potato is a very attractive feedstock, because it is rich in starch and has favorable agronomic characteristics. Aiming to contribute to the viability of ethanol production from sweet potato in larger scale, this work brings studies upon this topic. In GIMSCOP's previous works, there was the challenge of obtaining ethanol concentration in wine between 10 – 12% (v/v), which was achieved in this work, by increasing the concentration potato: water to 1.5 kg: 1 L. The commercial enzyme Stargen 002 was used for hydrolysis, the manufacturer indicates it to the granular starch. In experiments: granular starch vs. potato preheated in water bath (at 76oC), was obtained an ethanol content 9.25% (v/v) in 24 h when applying the preheating, whereas with raw sweet potato the ethanol content was 6.13% (v/v) in 58 h. Therefore, the preheating method was selected, where after preheating three processes are conducted in a single stage: hydrolysis, fermentation and reduction of viscosity. A central composite design was carried out, the temperature and process time showed significant effects, with higher sensitivity to temperature than time. However, the practiced temperature was already around the optimum (34oC), the most important gain was the time reducing, from 24 h to 19 h. In order to increase conversion efficiency, was evaluated the effect of pre-heating in microwave and also sweet potato ripening over post-harvest (action of own amylases over time). The ripening was positive, the ethanol production peak was at 25 days after harvest. There was no gain in the preheating with microwave. In the process's costs estimation, the yeast and feedstock resulted in the largest fraction of total cost. Aiming a future process of distillation with CO2 injection, this work presents a theoretical and experimental study of the mixture water-ethanol-CO2 equilibrium, also there is an experimental study of CO2 injection through a sweet potato wine. It was seen that improvement is needed in the model and the experimental apparatus. However, experimental results showed that higher ethanol concentrations can be obtained in the condensate with lower CO2 flows. A linear relationship was found between the sweet potato moisture and the total reducing sugars (TRS), resulting in an interesting proposal for estimating due to practicality, but it is advisable that the curve be constructed with data from a kind of sweet potato with controlled sources. Also, a good curve fitting requires a reliable analytical method when obtaining the experimental points. A comparative study between methods was initiated, and it must be continued, in order to maximize the glucose quantification with lower cost analysis.

No contexto energético o bioetanol tem recebido considerável atenção, por questões ambientais e também pela redução da dependência dos combustíveis de origem fóssil. Embora o Brasil seja o segundo maior produtor mundial de etanol, a produção está concentrada em determinadas regiões, enquanto o Rio Grande do Sul é basicamente um importador. Para mudar tal situação, a batata-doce é uma matéria-prima atrativa, por ser rica em amido e possuir características agronômicas vantajosas. Visando colaborar para a viabilização em maior escala da produção de etanol a partir de batata-doce, o presente trabalho reúne estudos sobre este tema. De trabalhos anteriores desenvolvidos no GIMSCOP, ficou o desafio da obtenção de teores de etanol no vinho entre 10 – 12% (v/v), o que foi alcançado neste trabalho com o aumento da concentração batata: água para 1,5 kg: 1 L. A enzima comercial Stargen 002, recomendada pelo fabricante para o amido granular, foi utilizada para a hidrólise. Em ensaios amido granular vs. batata pré-aquecida em banho-maria (a 76oC), foi obtido um teor de etanol de 9,25% (v/v) em 24 h com o aquecimento prévio, enquanto que com a batata-doce crua o teor foi de 6,13% (v/v) em 58 h. Portanto, o método com a batata pré-aquecida foi selecionado, onde após o pré-aquecimento três processos são conduzidos em única etapa: hidrólise, fermentação e redução da viscosidade. Como resultado de um planejamento composto central, a temperatura e o tempo do processo apresentaram efeitos significativos, com maior sensibilidade à temperatura do que ao tempo. Como a temperatura praticada já estava em torno do ótimo (34oC), o maior ganho foi na redução do tempo, de 24h para 19h. Objetivando aumentar a eficiência de conversão, foi avaliado o efeito do pré-aquecimento em micro-ondas e também do amadurecimento da batata pós-colheita (atuação das próprias amilases ao longo do tempo). O amadurecimento foi positivo, o pico na produção de etanol foi em 25 dias após a colheita. Não foi observado ganho no pré-aquecimento com micro-ondas. Na estimativa de custos do processo, a levedura e a matéria-prima implicaram nas maiores frações do custo total. Visando um futuro processo de destilação com injeção de CO2, é apresentado um estudo teórico-experimental sobre o equilíbrio da mistura água-etanol-CO2 incluindo o estudo experimental de injeção de CO2 em um vinho de batata-doce. Viu-se que são necessários aperfeiçoamentos no modelo e no aparato experimental. Contudo, os resultados experimentais mostraram que se conseguem maiores concentrações de etanol no condensado nas menores vazões de CO2. Foi identificada uma relação linear entre a umidade da batata-doce e o teor de açúcares redutores totais (ART), resultando em uma proposta de estimativa interessante pela praticidade, mas se aconselha que a curva seja construída com dados de um tipo de batata e de fontes controladas. Também, um bom ajuste de curva requer que o método analítico empregado na produção dos pontos seja confiável. Foi iniciado um estudo comparativo de métodos, que deve ser continuado a fim de maximizar a quantificação de glicose com o menor custo de análise. / In the energy context ethanol has received considerable attention due to environmental issues and also by reducing the fossil fuels dependence. Although Brazil is the second largest ethanol producer in the world, the production is concentrated in certain regions, whereas Rio Grande do Sul state is practically an exclusive importer. To change this situation, sweet potato is a very attractive feedstock, because it is rich in starch and has favorable agronomic characteristics. Aiming to contribute to the viability of ethanol production from sweet potato in larger scale, this work brings studies upon this topic. In GIMSCOP's previous works, there was the challenge of obtaining ethanol concentration in wine between 10 – 12% (v/v), which was achieved in this work, by increasing the concentration potato: water to 1.5 kg: 1 L. The commercial enzyme Stargen 002 was used for hydrolysis, the manufacturer indicates it to the granular starch. In experiments: granular starch vs. potato preheated in water bath (at 76oC), was obtained an ethanol content 9.25% (v/v) in 24 h when applying the preheating, whereas with raw sweet potato the ethanol content was 6.13% (v/v) in 58 h. Therefore, the preheating method was selected, where after preheating three processes are conducted in a single stage: hydrolysis, fermentation and reduction of viscosity. A central composite design was carried out, the temperature and process time showed significant effects, with higher sensitivity to temperature than time. However, the practiced temperature was already around the optimum (34oC), the most important gain was the time reducing, from 24 h to 19 h. In order to increase conversion efficiency, was evaluated the effect of pre-heating in microwave and also sweet potato ripening over post-harvest (action of own amylases over time). The ripening was positive, the ethanol production peak was at 25 days after harvest. There was no gain in the preheating with microwave. In the process's costs estimation, the yeast and feedstock resulted in the largest fraction of total cost. Aiming a future process of distillation with CO2 injection, this work presents a theoretical and experimental study of the mixture water-ethanol-CO2 equilibrium, also there is an experimental study of CO2 injection through a sweet potato wine. It was seen that improvement is needed in the model and the experimental apparatus. However, experimental results showed that higher ethanol concentrations can be obtained in the condensate with lower CO2 flows. A linear relationship was found between the sweet potato moisture and the total reducing sugars (TRS), resulting in an interesting proposal for estimating due to practicality, but it is advisable that the curve be constructed with data from a kind of sweet potato with controlled sources. Also, a good curve fitting requires a reliable analytical method when obtaining the experimental points. A comparative study between methods was initiated, and it must be continued, in order to maximize the glucose quantification with lower cost analysis.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-01-27Bitstream added on 2014-06-13T20:52:16Z : No. of bitstreams: 1 bringhenti_l_me_botfca.pdf: 411319 bytes, checksum: af3a1ca0db941f12654bf420dfe195fa (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Universidade Estadual Paulista (UNESP) / Neste trabalho fez-se uma avaliação da utilização dos resíduos da agroindustrialização da mandioca como fonte de carbono para fermentação alcoólica, buscando um etanol, que possua qualidades adequadas para uso na indústria alimentícia. No sentido de promover uma alternativa viável, tanto tecnologicamente como economicamente, traçou-se um planejamento experimental que minimizasse os custos. Preocupou-se também, com a sustentabilidade ambiental do processo, pois a produção de álcool etílico pelo método aqui proposto, acena como uma alternativa para que o resíduo gerado, na indústria da mandioca, passe ao status de co-produto, gerando para a indústria não só receita como todos os benefícios mercadológicos de uma indústria limpa. O resíduo utilizado foi o amiláceo pré-hidrolizado que após o processo de fermentação foi destilado e teve seu produto separado e analisado. Desenvolveu-se uma coluna de destilação com recheio de vidro, para operação contínua a fim de estabelecer uma planta pré-piloto, onde ocorram os processos de hidrólise, fermentação e destilação. O substrato escolhido foi submetido a diversos ensaios e, o etanol obtido foi avaliado utilizando metodologias analíticas de derivatização. Para suprir as leveduras alcoólicas dos requisitos nutricionais necessários à sua manutenção durante o processo de fermentação, adicionou-se concentrações crescentes de mel residuário de sacarose aos substratos amiláceos previamente hidrolisados, nas proporções de 5, 10, 15 e 20% . Estas soluções foram padronizadas buscando manter a mesma concentração de carbono orgânico e na etapa subseqüente foram tratadas com enzimas amilolíticas para sacarificação completa. Após o inóculo com leveduras Saccharomyces cerevisiae, as fermentações foram... / In this study an evaluation of the residue from the agricultural industrialization of cassava root is aimed. The main goal of this evaluation was towards the potential use of the root as a carbon source to the ethanol production via fermentation. The ethanol obtained must have characteristics good enough to be used in the food industry. Keeping in mind that, nowadays, industrial process must be sustainable and also economically feasible, an experimental scheme was designed. If the second goal may be proved, the first one appears immediatelly; due to promote an alternative use for a residue that otherwise may impact the environment. The experiment begins with the pre-hydrolysed amylaceous that is a by-product from the production of cassava flour. This starch was submited to fermentation under optimized conditions, the wine resultant went trough destilation, the final product was separated and analised. A destilation column, containing glass pearls, was designed in order to integrate a pilot project that may work in a process of continuos operation. This pilot plant was designed in order to achieve the process of hydrolysis, fermentation and destilation. The chosen substrate was then submited to various tests at diverse conditions and the ethanol obtained was evalueted trhough analytical methods with derivatization. In order to optimize the fermentation process by giving to the yeast better conditions of development, molasses, from the sucrose production, was added. The additions were of 5, 10, 15 and 20 %. These solutions were standardized in order to keep the same organic carbon content and after this were submited to a treatment with amylolitc enzymes. This treatment goal was to promote a complete saccharification...(Complete abstract, click electronic access below)

Orientador: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira, Juan Lucas Argueso Gomes de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-16T13:31:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Duarte_FabianadeMelo_M.pdf: 10932684 bytes, checksum: c31d50d399af1063941a0d931eee8101 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O etanol de cana-de-açúcar brasileiro ocupa um lugar de destaque entre as alternativas energéticas disponíveis atualmente. No processo fermentativo de produção de etanol é utilizada a levedura Saccharomyces cerevisiae, com destaque para a linhagem industrial PE-2, utilizada por cerca de 30% das usinas brasileiras, o que representa 10% da produção mundial. Essa linhagem associa uma alta eficiência na produção de etanol com uma excelente capacidade de adaptação ao ambiente altamente hostil e competitivo das dornas de fermentação. O nosso grupo de pesquisa realizou previamente uma caracterização genética e molecular detalhada de uma linhagem diplóide derivada diretamente de PE-2 (JAY270), o que forneceu inúmeras possibilidades para a manipulação genética dessa levedura com o objetivo de desenvolver linhagens mais produtivas. No entanto, alguns estudos observaram a ocorrência de variação cariotípica nessa linhagem durante o processo fermentativo, o que pode representar uma barreira para a manipulação dessa levedura. Sendo assim, é extremamente importante estudar o comportamento do genoma dessa linhagem durante a produção de etanol. Este projeto de Mestrado teve como objetivo principal a determinação do mecanismo de recombinação genética responsável pela geração de rearranjos cromossômicos na linhagem JAY270 durante a produção de etanol. Foi realizado um experimento de fermentação em escala semi-industrial iniciado com um inóculo puro de JAY270, com duração de 50 dias. A partir de amostras coletadas ao final do processo foram obtidos isolados que foram analisados através de PFGE (Gel de Eletroforese em Campo Pulsado) para identificação de derivados de JAY270 portadores de variação cariotípica. Dos derivados analisados, 36% possuíam algum tipo de rearranjo cromossômico em relação à linhagem inicial, dos quais 11 foram selecionados (FDY1-FDY11) para análises detalhadas. As sequências genômicas de dois derivados haplóides de JAY270 possibilitaram o desenvolvimento de 9 marcadores moleculares para genotipar regiões heterozigotas de JAY270 com o objetivo de identificar eventos de recombinação genética. Os 11 isolados selecionados foram analisados com esses marcadores e, exceto por um deles, todos continuavam heterozigotos em todas as regiões genotipadas. Dois mecanismos de recombinação genética podem ser responsáveis pela geração dos rearranjos, recombinação mitótica, que ocorre em pontos isolados e recombinação meiótica, que envolve todo o genoma simultaneamente em um único ciclo celular. A possibilidade dos rearranjos terem sido gerados por recombinação meiótica foi excluída, visto que a probabilidade dos 10 isolados continuarem heterozigotos em todas as regiões analisadas após um evento de meiose seguido de cruzamento é extremamente baixa (entre 10-24 e 10-14). Sendo assim, concluiu-se que os rearranjos cromossômicos foram gerados durante o crescimento vegetativo, e que, portanto, o mecanismo de recombinação genética responsável pela geração dos mesmos é a recombinação mitótica. Os 11 isolados também foram analisados através de CGH-array, que possibilitou a comparação de sua dosagem gênica com a da linhagem JAY270, que lhes deu origem. Com essa metodologia foi possível detectar eventos de recombinação mitótica que resultaram em perda de heterozigosidade nas extremidades de alguns cromossomos. / Abstract: Brazilian sugar cane ethanol stands out among the energetic alternatives available nowadays. In the fermentation process to produce ethanol it is used the yeast Saccharomyces cerevisiae. One of the most widely adopted strains is the industrial isolate PE-2, currently used by ~30% of Brazilian distilleries, generating ~10% of the world's ethanol supply. This strain combines a high performance in ethanol fermentation and an excellent adaptation to the hostile environment in the fermentation vats. Our research group previously carried out a thorough genetic characterization of an isolate of the PE-2 strain, known as JAY270. This analysis offers several opportunities for the improvement and modification of this strain. However, some studies observed the occurrence of karyotypic variation in this strain during the fermentation process, what can represent a barrier to the genetic manipulation of this yeast. Therefore, it is extremely important to study the genome behavior of this yeast during the ethanol production process. The main objective of this Master's Project was to determinate the genetic recombination mechanism responsible for generating chromosomal rearrangements in JAY270 during the ethanol production. A fermentation experiment in semi-industrial scale was carried out with a pure initial inoculum of JAY270. After 50 days, samples were collected and used to obtain single colony isolates. This isolates were analyzed through PFGE (Pulsed Field Gel Electrophoresis) to the identification of JAY270 derivatives carrying karyotypic variation. Of the analyzed derivatives, 36% had at least one chromosomal rearrangement. 11 of these derivatives were chosen to perform detailed analyses and were called FDY1-FDY11. The genome sequences of two haploid derivatives of JAY270 were used to develop 9 molecular markers to genotype heterozygous regions of JAY270 to identify genetic recombination events. The 11 isolates were analyzed with these markers and, except by one of them, all isolates were heterozygous in all genotyped regions. Two genetic recombination mechanisms can be responsible for generating the rearrangements, mitotic recombination, which occurs in isolate points of the genome, and meiotic recombination, that simultaneously affects all the genome in one single cellular cycle. The probability of the 10 isolates stay heterozygous in all genotyped regions after one event of meiosis followed by mating is extremely low (between 10-24 e 10-14). This result showed that these rearrangements couldn't be generated through meiotic recombination. Therefore, it was possible to conclude that the chromosomal rearrangements were generated during vegetative growth through mitotic recombination. The 11 isolates also were analyzed through CGH-array to compare their gene dosage with the strain JAY270. With this methodology it was possible to detect mitotic recombination events that resulted in loss of heterozygosity in peripheral regions of some chromosomes. / Mestrado / Genetica de Microorganismos / Mestre em Genética e Biologia Molecular