nÃo hà / Given the current situation in which it is the global energy sector, biofuels have been gaining more space, earning special attention the ethanol, which has shown growing demands. From this scenario, the objective of this work was to develop a bioprocess technically and economically practicable for ethanol production from cashew apple juice, using yeast Saccharomyces cerevisiae (CCA008) genetically modified containing a flocculent gene (FLO5α). The work was divided in 4 four stages that are linked throughout the study. In the first stage was evaluated the temperature influence (26, 30, 34, 38 and 42ÂC), the inoculum concentration (3, 5, 8 and 10 g.L-1) and the stirring speed (80, 150, 300, 490, 650 and 800 rpm), so it could be determined the best conditions to maximize ethanol production. It was observed that the temperature operating parameter, the initial cellular concentration, substrate concentration and stirring exerted influence on the alcoholic fermentation of the cashew apple juice. The best performance to the fermentative process (98,8 %) happened when the process was conducted at 34 ÂC, under 150 rpm stirring and 5 g.L-1 of initially cell concentration. The second stage was intended to describe the process efficiency in face of the operation parameters evaluated in fermentation. To this end, it was successfully used statistic models to describe the interaction between the initial substrate concentration, temperature, initial cell concentration, stirring and their possible effects on the yield. The model that best fit the experimental data was used to obtain the optimum conditions from the operating variables, indicating the following conditions as great: substrate concentration (S0) of 102 g.L-1, temperature (T) at 34ÂC, inoculum concentration (X0) of 5 g.L-1 and stirring (Agit) of 140 rpm, predicting a 98,80 % of efficiency. In the third stage was studied ethanol production in optimum conditions, being used to implement the scale up process, in which the data obtained in a 1L bioreactor batch were used to predict the fermentation behavior in a 14L bioreactor batch, using the volumetric power consumption as a parameter to scale-up. Using this factor as being of 10,67 kW/m3, it was possible to calculate the fermenter stirring power in a 14 times bigger volume, as well as foresee which stirring would be necessary so the fermentation can occur, similarly as in the lower volume fermenter. Results showed that yield from the 14L bioreactor were satisfactory, having a small difference (96,56 %  0,3 %) between yield from the 1L bioreactor (98,80 %  1,6 %). The fourth and last stage was rated the technical and economic viability of the process. Analyzing results, it is possible to say the industrial process here proponed has shown technical viability, since the value obtained for the process yield (68 L/ton), was close to sugar cane fermentation (61 â 72 L/ton). However, it did not show economic viability since the industrial unity provides negative cash flow (- R$ 93.840.874) in the end of 10 years that was analyzed. So, new studies must be conducted in order to make this process economically viable, this possibility being observed in various scenarios generated in analyzing the sensibility of process, which presents possible economically viable settings. / Diante da conjuntura atual em que se encontra o setor energÃtico mundial, os biocombustÃveis vÃm ganhando cada vez mais espaÃo, merecendo atenÃÃo especial o etanol, o qual apresenta demanda crescente. A partir desse cenÃrio, o objetivo do presente trabalho foi desenvolver um bioprocesso tecnicamente e economicamente viÃvel para produÃÃo de etanol a partir do suco de caju, utilizando levedura Saccharomyces cerevisiae (CCA008) geneticamente modificada contendo gene floculante (FLO5α). O trabalho foi dividido em 4 quatro etapas que se interligam durante todo o estudo. Na primeira etapa foi avaliada a influÃncia da temperatura (26, 30, 34, 38 e 42ÂC), da concentraÃÃo de inÃculo (3, 5, 8 e 10 g.L-1) e da velocidade de agitaÃÃo (80, 150, 300, 490, 650 e 800 rpm) para que as condiÃÃes Ãtimas que maximizam a produÃÃo de etanol, fossem determinadas. Observou-se que os parÃmetros operacionais de temperatura, concentraÃÃo celular inicial, concentraÃÃo de substrato e agitaÃÃo exerceram influÃncia na fermentaÃÃo alcoÃlica do suco de caju. O melhor rendimento para o processo fermentativo (98,8 %) ocorreu quando o processo foi conduzido a 34 ÂC, sob agitaÃÃo de 150 rpm e contendo incialmente 5 g.L-1 de cÃlulas. Na segunda etapa, pretendeu-se descrever o rendimento do processo em funÃÃo dos parÃmetros operacionais avaliados na fermentaÃÃo. Para tanto, utilizaram-se, com sucesso, modelos estatÃsticos para descrever a interaÃÃo entre a concentraÃÃo inicial de substrato, temperatura, concentraÃÃo celular inicial, agitaÃÃo e seus possÃveis efeitos no rendimento. O modelo que melhor se ajustou aos dados experimentais foi utilizado na obtenÃÃo das condiÃÃes Ãtimas das variÃveis operacionais, indicando as seguintes condiÃÃes como Ãtimas: concentraÃÃo de substrato (S0) de 100 g.L-1, temperatura (T) igual a 34 ÂC, concentraÃÃo de inÃculo (X0) igual a 5 g.L-1 e agitaÃÃo (Agit) de 140 rpm, predizendo um rendimento de 98,80 %. Na terceira etapa, realizou-se o estudo da produÃÃo de etanol nas condiÃÃes Ãtimas, sendo as mesmas utilizadas para implementar a ampliaÃÃo de escala do processo, na qual os dados obtidos em biorreator batelada de 1L foram utilizados para predizer o comportamento da fermentaÃÃo em biorreator batelada de 14L, utilizando a potÃncia por unidade de volume como parÃmetro de scale-up. Utilizando tal fator como sendo de 10,67 kW/m3, foi possÃvel calcular a potÃncia de agitaÃÃo do fermentador de volume 14 vezes maior, assim como prever qual agitaÃÃo seria necessÃria para que a fermentaÃÃo ocorresse de forma semelhante à ocorrida no fermentador de menor volume. Os resultados mostraram que o rendimento obtido no biorreator de 14L foi satisfatÃrio, apresentando uma pequena diferenÃa (96,56 %  0,3 %) para o biorreator de 14L em relaÃÃo ao rendimento obtido para o de 1L (98,80 %  1,6 %). Como quarta e ultima etapa, avaliou-se a viabilidade tÃcnica e econÃmica do processo. Analisando os resultados obtidos, à possÃvel afirmar que o processo industrial proposto apresentou viabilidade tÃcnica, uma vez que o valor obtido para o rendimento do processo (68 L/ton), foi prÃximo ao da fermentaÃÃo da cana-de-aÃÃcar (61 â 72 L/ton). Contudo, o mesmo nÃo apresentou viabilidade econÃmica, uma vez que a unidade industrial proporciona um fluxo de caixa negativo (- R$ 93.840.874) ao final dos 10 anos em que foi analisado. Assim, novos estudos devem ser realizados com o intuito de tornar tal processo economicamente viÃvel, sendo esta possibilidade observada nos vÃrios cenÃrios gerados na anÃlise de sensibilidade do processo, o qual apresenta possÃveis configuraÃÃes economicamente viÃveis.

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

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / O Leuconostoc mesenteroides B742 produz a enzima dextrana-sacarase em meio sintÃtico contendo sacarose (fonte de carbono), fonte de nitrogÃnio e sais. Esta enzima catalisa a formaÃÃo de dextrana quando em meio contendo acarose como Ãnico substrato. Entretanto, quando em meio contendo um aceptor (maltose, frutose, glicose ou outro aÃÃcar simples) como substrato predominante e sacarose como segundo substrato, a enzima produz oligossacarÃdeos prÃbiÃticos. Estes carboidratos nÃo sÃo digeridos por humanos e ao chegarem no intestino grosso sÃo metabolizados pelas bifidobactÃrias e lactobacilos, ali presentes, estimulando o seu crescimento. A maioria dos trabalhos publicados sobre a sÃntese de oligosscarÃdeos com dextrana-sacarase de Leuconostoc mesenteroides sÃo relativos à linhagem B512F e utilizam substratos sintÃticos. O caju, largamente cultivado no CearÃ, possui castanha (verdadeiro fruto) e pedÃnculo (pseudofruto) que à fonte de vitamina C. Considerando-se que o pedÃnculo corresponde a 90% do peso do caju, calcula-se que o paÃs produza cerca de 1,5 milhÃo de toneladas desse produto. No entanto, apenas 5% desse total à aproveitado industrialmente ou para consumo in natura, sendo grande parte perdida no campo. Dessa forma, o presente trabalho teve como objetivo o aproveitamento do pedÃnculo como substrato para a sÃntese de oligossacarÃdeos prebiÃticos pela reaÃÃo do aceptor com a enzima dextranasacarase, obtida via processo fermentativo a partir do Leuconostoc mesenteroides B742 no suco de caju clarificado in natura. A substituiÃÃo parcial do extrato de levedura por sulfato de amÃnio como fonte de nitrogÃnio foi tambÃm avaliada. Com base nos resultados obtidos pode-se concluir que o suco de caju clarificado pode ser empregado como uma alternativa de substrato de baixo custo para o crescimento do Leuconostoc mesenteroides B742 e para a produÃÃo de oligossacarÃdeos prebiÃticos via sÃntese enzimÃtica. A enzima bruta apresentou estabilidade superior no suco de caju quando comparada ao meio sintÃtico, tornando este substrato bastante interessante do ponto de vista industrial, uma vez que a purificaÃÃo da enzima à uma das etapas mais caras em processos enzimÃticos. A substituiÃÃo parcial do extrato de levedura por sulfato de amÃnio na produÃÃo da enzima se mostrou eficaz nÃo causando perdas na produÃÃo da enzima. / Leuconostoc mesenteroides B742 produces the enzyme dextransucrose in a medium containing sucrose (carbon source), a nitrogen source and mineral salts. This enzyme catalyses dextran synthesis when the only carbon source is sucrose. When acceptors (maltose, fructose, glucose or other simple sugar) are present as the main substrate and sucrose is the second one, the enzyme synthesizes prebiotic oligosaccharides. These carbohydrates are not digested by humans and reach the large intestine where they are metabolized by bifidobacteria and lactobacilli, the intestine endogenous microbiota, increasing their growth. The most published papers about oligosaccharides synthesis using dextransucrase from Leuconostoc mesenteroides are related to the strain B512F and the synthesis is carried out using synthetic substrates. The cashew tree, largely grown in Cearà state, has a peduncle (pseudofruit) which is wasted. Considering that the peduncle corresponds to 90 % of the fruit weight, its annual estimated production is about 1,5 millions tons. However, only 5% of this production is industrially used or consumed in natura, being large amounts wasted in the field. This work aimed to the study of the prebiotic oligosaccharide synthesis through the acceptor reaction with dextransucrase enzyme from Leuconostoc mesenteroides B742 in natura clarified cashew apple juice. The partial substitution of yeast extract by ammonium sulfate as nitrogen source was also investigated. According to the results obtained, the clarified cashew apple juice can be used as low cost alternative substrate to grow L.mesenteroides B742 and to produce prebiotic oligosaccharide through enzyme synthesis. The crude enzyme showed higher stability in the clarified cashew apple juice when compared to the synthetic medium, making this substrate interesting for industrial applications because enzyme purification protocols are one of the most expensive steps in enzyme process. The partial substitution of yeast extract by ammonium sulfate also showed technical viability without enzyme yield losses.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:01:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MariaVPR_TESE_1-170.pdf: 4608142 bytes, checksum: 9ed83cbe76a127f48714302cd74c674a (MD5) Previous issue date: 2010-11-22 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Recently, global demand for ethanol fuel has expanded very rapidly, and this should further increase in the near future, almost all ethanol fuel is produced by fermentation of sucrose or glucose in Brazil and produced by corn in the USA, but these raw materials will not be enough to satisfy international demand. The aim of this work was studied the ethanol production from cashew apple juice. A commercial strain of Saccharomyces cerevisiae was used for the production of ethanol by fermentation of cashew apple juice. Growth kinetics and ethanol productivity were calculated for batch fermentation with different initial sugar (glucose + fructose) concentration (from 24.4 to 103.1 g.L-1). Maximal ethanol, cell and glycerol concentrations (44.4 g.L-1, 17.17 g.L-1, 6.4 g.L-1, respectively) were obtained when 103.1 g.L-1 of initial sugar concentration were used, respectively. Ethanol yield (YP/S) was calculated as 0.49 g (g glucose + fructose)-1. Pretreatment of cashew apple bagasse (CAB) with dilute sulfuric acid was investigated and evaluated some factors such as sulfuric acid concentration, solid concentration and time of pretreatment at 121?C. The maximum glucose yield (162.9 mg/gCAB) was obtained by the hydrolysis with H2SO4 0.6 mol.L-1 at 121?C for 15 min. Hydrolysate, containing 16 ? 2.0 g.L-1 of glucose, was used as fermentation medium for ethanol production by S. cerevisiae and obtained a ethanol concentration of 10.0 g.L-1 after 4 with a yield and productivity of 0.48 g (g glucose)-1 and 1.43 g.L-1.h-1, respectively. The enzymatic hydrolysis of cashew apple bagasse treated with diluted acid (CAB-H) and alkali (CAB-OH) was studied and to evaluate its fermentation to ethanol using S. cerevisiae. Glucose conversion of 82 ? 2 mg per g CAB-H and 730 ? 20 mg per g CAB-OH was obtained when was used 2% (w/v) of solid and loading enzymatic of 30 FPU/g bagasse at 45 ?C. Ethanol concentration and productivity was achieved of 20.0 ? 0.2 g.L-1 and 3.33 g.L-1.h-1, respectively when using CAB-OH hydrolyzate (initial glucose concentration of 52.4 g.L-1). For CAB-H hydrolyzate (initial glucose concentration of 17.4 g.L-1), ethanol concentration and productivity was 8.2 ? 0.1 g.L-1 and 2.7 g.L-1.h-1, respectively. Hydrolyzates fermentation resulted in an ethanol yield of 0.38 g/g glucose and 0.47 g/g glucose, with pretreated CABOH and CAB-H, respectively. The potential of cashew apple bagasse as a source of sugars for ethanol production by Kluyveromyces marxianus CE025 was evaluated too in this work. First, the yeast CE025 was preliminary cultivated in a synthetic medium containing glucose and xylose. Results showed that it was able to produce ethanol and xylitol at pH 4.5. Next, cashew apple bagasse hydrolysate (CABH) was prepared by a diluted sulfuric acid pre-treatment. The fermentation of CABH was conducted at pH 4.5 in a batch-reactor, and only ethanol was produced by K. marxianus CE025. The influence of the temperature in the kinetic parameters was evaluated and best results of ethanol production (12.36 ? 0.06 g.L-1) was achieved at 30 ?C, which is also the optimum temperature for the formation of biomass and the ethanol with a volumetric production rate of 0.25 ? 0.01 g.L-1.h-1 and an ethanol yield of 0.42 ? 0.01 g/g glucose. The results of this study point out the potential of the cashew apple bagasse hydrolysate as a new source of sugars to produce ethanol by S. cerevisiae and K. marxianus CE025. With these results, conclude that the use of cashew apple juice and cashew apple bagasse as substrate for ethanol production will bring economic benefits to the process, because it is a low cost substrate and also solve a disposal problem, adding value to the chain and cashew nut production / Recentemente, a demanda mundial por etanol combust?vel tem se expandido de forma muito r?pida, sendo quase todo etanol combust?vel ? produzido por fermenta??o de sacarose no Brasil ou glicose de milho nos Estados Unidos, por?m, estas mat?rias-primas n?o ser?o suficientes para satisfazer a demanda internacional. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a produ??o de bioetanol a partir do ped?nculo de caju. Para tal fim, inicialmente, estudou-se a produ??o de etanol utilizando o suco de caju como fonte de carbono, avaliando a influ?ncia da concentra??o inicial de substrato por Saccharomyces cerevisiae. Nessa etapa, os melhores resultados foram utilizando uma concentra??o inicial de a??car de 87,71 g.L-1 obtendo a concentra??o m?xima de etanol de 42,8 ? 3 g.L-1 com uma produtividade de 9,71 g.L-1.h-1 e rendimento de etanol de 0,49 g etanol/g glicose + frutose. Posteriormente, estudou-se a produ??o de etanol utilizando como material lignocelul?sico o baga?o de caju (CAB) que continha 20,9% celulose, 16,3% hemicelulose e 33,6% lignina + cinzas. Inicialmente estudou-se o pr?-tratamento do CAB com ?cido sulf?rico dilu?do avaliando-se diferentes par?metros, obtendo as maiores concentra??es dos a??cares glicose (22,8 ? 1,5 g.L-1) e xilarabin (arabinose + xilose plus, 29,2 ? 2,4 g.L-1), na fra??o l?quida (CAB-H), no pr?-tratamento conduzido em autoclave a 121?C por 15 min usando H2SO4 0,6 mol.L-1 e 30% m/v de CAB, com rendimentos de glicose, xilarabin e a??cares totais de 75,99 ? 5,0, 97,17 ? 8,1 e 173,16 ? 13,0 mg.(g de baga?o)-1, respectivamente. A convers?o obtida nesse pr?-tratamento com base na percentagem de celulose e hemicelulose do CAB foi 322,1 ? 20,1 mg glicose.(g celulose)-1 e 514,1 ? 43,1 mg xilarabin.(g hemicelulose)-1. Na fermenta??o do hidrolisado CAB-H por S. cerevisiae obteve-se 10 g.L-1 de etanol ap?s 4 horas de cultivo, com rendimento de 0,48 g.(g glicose)-1 e produtividade de 2,62 g.L-1h-1. Ap?s, estudou-se a hidr?lise enzim?tica do CAB ap?s pr?-tratamento com H2SO4 dilu?do (CAB-H) e alcalino (CAB-OH) e a fermenta??o dos hidrolisados por S. cerevisiae para produzir etanol. Uma convers?o de glicose de 82 ? 2 mg.(gCAB-H)-1 e 730 ? 20 mg.(gCAB-OH)-1 foi obtida utilizando 2% (m/v) de s?lidos e carga enzim?tica de 30 FPU.(g baga?o)-1 a 45?C. Na fermenta??o conduzida com o hidrolisado obtido da hidr?lise enzim?tica do CAB-OH, obteve-se uma concentra??o de etanol, produtividade e rendimento de 20,0 ? 0,2 g.L-1, 3,33 g.L-1.h-1 e 0,38 g.(g de glicose)-1, respectivamente. Para o hidrolisado da hidr?lise do CAB-H, a concentra??o de etanol foi 8,2 ? 0,1 g.L-1 com 2,7 g.L-1.h-1 de produtividade e rendimento de 0,47 g.(g glicose)-1 em 3 h de ensaio. O potencial do baga?o de caju como fonte de a??cares para a produ??o de etanol por Kluyveromyces marxianus CE025 tamb?m foi avaliado e verificou-se a influ?ncia da temperatura nos par?metros cin?ticos, sendo os ensaios conduzidos em batelada a pH 4,5, utilizado o hidrolisado (CAB-H) como fonte de carbono. Os melhores resultados para a produ??o de etanol foram a 30?C, coincidindo com a temperatura ?tima de crescimento, resultando em 12,36 ? 0,06 g.L-1 de etanol, com uma taxa volum?trica de produ??o de 0,26 ? 0,01 g.L-1.h-1 e rendimento de 0,42 ? 0,01 g.(g de glicose)- 1. Os resultados apresentados demonstram o potencial do ped?nculo de caju (suco e baga?o) como nova fonte de carbono para produzir etanol por S. cerevisiae e K. marxianus CE025