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O hidromel é uma bebida alcoólica fermentada a base de mel e água, considerada uma das bebidas mais antigas do mundo sendo consumida por vikings e romanos tratada como um presente dos deuses, o néctar divino. A espécie de levedura mais utilizada na elaboração de bebidas alcoólica é a Saccharomyces cerevisiae. Porém levedura da espécie Saccharomyces boulardii, apresenta boa ação fermentativa, além de trazer inúmeros benefícios à saúde. O objetivo deste trabalho foi acompanhar parâmetros indicativos de fermentação utilizando S. cerevisiae e S. boullardii na produção de hidromel. O experimento consistiu de 2 tratamentos (S. cerevisiae e S. boulardii) e 3 repetições. Inicialmente o mel foi diluído em água, até 20 °Brix, e posteriormente foi realizada a adição do pé-de-cuba de S. cerevisiae e outro de S. boullardii e submetido ao processo fermentativo. Foram realizadas análises de sólidos solúveis totais (°Brix), pH, acidez total titulável (mEq/L) durante a fermentação e, teor alcoólico no início e ao final do processo fermentativo. Também foi realizada análise microbiológica a fim de determinar a contagem de leveduras no início e ao final do processo. Houve redução do pH e aumento da acidez ao longo do processo para os dois tratamentos. O tratamento B apresentou um menor pH e maior acidez ao final do processo fermentativo. Para o teor de sólidos solúveis totais e teor alcoólico não houve diferença significativa entre os tratamentos ao final da fermentação. Tanto a formulação S. cerevisiae quanto a formulação com S. boulardii apresentaram um excelente desempenho fermentativo, apresentando resultados semelhantes nos parâmetros físico-químicos da produção.

The chemical composition of fermented beverages is determinant to delineate their sensory characteristics since they are dependent on the fruit cultivation, processing, stabilization, storage, and the intrinsic characteristics of the producing region. Alcoholic fermentation is a biochemical process of relevance for the production of beverages with unique chemical and sensory features and the analysis of the fermentative behavior promotes real conditions to control this process to maximize the quality of the produced beverage. The present project aimed at studying the fermentation kinetics of the Pearl and Hawaiian pineapple juices, commercialized in the city of Frutal/MG, determining its physical-chemical properties to observe the necessary parameters to optimize the control of the fermentative process. The beverages showed high acidity (maximum 41.7 g/L in citric acid) and dry extract (47.7 g/L after fermentation), resulting in full-bodied beverages. All beverages were classified as dry (reducing sugar content below 4 g/L), the maximum alcohol content of 7.93 % v/v (Pearl) and 5.10 % v/v (Hawaiian), and with high total phenolic content (maximum of 1049 mg/L for Pearl and 852 mg/L for Hawaiian) assuming high antioxidant capacity. The kinetic parameters obtained showed that 72 hours after the start of alcoholic fermentation can be considered as a cutoff time for the consolidation of the fermentative process. La composición química de las bebidas fermentadas es determinante para delinear sus características sensoriales, siendo éstas dependientes del cultivo de la fruta, el procesamiento, la estabilización, el almacenamiento y las características intrínsecas de la región productora. La fermentación alcohólica es un proceso bioquímico de relevancia para la producción de bebidas con características químicas y sensoriales únicas y el análisis del comportamiento fermentativo promueve condiciones reales de control de este proceso para maximizar la calidad de la bebida producida. El presente proyecto tuvo como objetivo estudiar la cinética de fermentación del jugo de piña Perla y Hawaiana, comercializado en la ciudad de Frutal/MG, determinando sus propiedades físico-químicas con el fin de observar los parámetros necesarios para optimizar el control del proceso fermentativo. Las bebidas tenían una acidez elevada (un máximo de 41,7 g/L en ácido cítrico) y un extracto seco (47,7 g/L tras la fermentación) resultantes de bebidas con mucho cuerpo. Todas las bebidas se clasificaron como secas (contenido de azúcares reductores inferior a 4 g/L), con un contenido máximo de alcohol de 7,93 % v/v (Perla) y 5,10 % v/v (Hawaiana) y con un alto contenido fenólico total (máximo de 1049 mg/L para la Perla y 852 mg/L para la Hawaiana), lo que supone una alta capacidad antioxidante. Los parámetros cinéticos obtenidos mostraron que el tiempo de 72 horas tras el inicio de la fermentación alcohólica puede considerarse necesario para la consolidación del proceso fermentativo. A composição química das bebidas fermentadas é determinante para delinear suas características sensoriais, sendo estas dependentes do cultivo da fruta, do processamento, da estabilização, do armazenamento e das características intrínsecas da região produtora. A fermentação alcoólica é um processo bioquímico de relevância para a produção de bebidas com características químicas e sensoriais únicas e a análise do comportamento fermentativo promove condições reais de controle deste processo para maximizar a qualidade da bebida produzida. O presente trabalho teve o objetivo de estudar a cinética de fermentação do suco de abacaxi pérola e havaiano, comercializado no município de Frutal, Minas Gerais, determinando as suas propriedades físico-químicas com o objetivo de observar os parâmetros necessários para otimizar o controle do processo fermentativo. As bebidas apresentaram elevada acidez (máximo de 41,7 g/L em ácido cítrico) e extrato seco (47,7 g/L após a fermentação) resultando em bebidas encorpadas. Todas as bebidas foram classificadas como secas (teor de açúcar redutor abaixo de 4 g/L), teor alcoólico máximo de 7,93 % v/v (Pérola) e 5,10 % v/v (Havaiano) e com teor elevado de fenólicos totais (máximo de 1049 mg/L para o Pérola e 852 mg/L para o Havaiano) pressupondo elevada capacidade antioxidante. Os parâmetros cinéticos mostraram que o tempo de 72 horas após o início da fermentação alcoólica pode ser considerado como necessário para a consolidação do processo fermentativo.

The processing of fruit to obtain beverages is a way to add value to the raw material, in addition to improving the producer's remuneration for the development of new products. Having this idea as a premise, the objective of this work was to elaborate and characterize carbonated fermented beverages based on sapodilla. With fruits acquired in the city of João Pessoa (PB), beverages were prepared from three different initial concentrations of total soluble solids (14 ºBrix, 16 ºBrix and 20 ºBrix). The analyzes performed were total titratable acidity, volatile acidity and fixed acidity, pH, total soluble solids, total dry extract, ash, reducing sugar, non-reducing sugar and total reducing sugar, total phenolic compounds, antioxidant activity, alcohol content and biomass concentration . For all formulations, fermentation kinetic parameters were calculated: product yield, cell yield, product productivity and fermentation efficiency. The data obtained were submitted to analysis of variance and the Tukey test was applied to identify significant differences between the means, at a confidence level of 95%. The aerated alcoholic fermented products from the three formulations showed average values of 7.4% v/v for alcohol content; 3.54 for pH; 2.2 ºBrix for the total soluble solids content and 145.20 meq/L for the total titratable acidity. The results of the kinetic parameters for the three formulations ranged from 0.28 to 0.34 for product yield, from 0.009 to 0.012 for cell yield, from 0.17 to 0.21 for product productivity and from 55 .56 to 67.30% for fermentation efficiency. For the content of total phenolic compounds, the formulation with 16 ºBrix presented the highest result, being 8.51 mg EAG/100 mL, with antioxidant capacity of 488.75 μM TEAC/g and DPPH radical inhibition, 596.04 μM TEAC/ g of ABTS radical inhibition and 705.24 μM TEAC/g of FRAP reducing power. The alcohol content parameter for all aerated sapodilla fermented products presented values within the range established by the brazilian legislation for fruit fermented, while for the total titratable acidity, the only fermented product that obtained a result within the specified by the legislation was the drink developed by the formulation with 20 ºBrix, with an average value of 122.4 meq/L. Nenhuma O processamento de frutas para a obtenção à matéria-prima, além de melhorar a remuneração do produtor pelo desenvolvimento de novos produtos. Tendo essa ideia como premissa, objetivou-se, neste trabalho, elaborar e caracterizar bebidas fermentadas gaseificadas à base de sapoti. Com frutos adquiridos na cidade de João Pessoa (PB), foram elaboradas bebidas a partir de três concentrações iniciais de sólidos solúveis totais distintas (14 ºBrix, 16 ºBrix e 20 ºBrix). As análises realizadas foram acidez total titulável, acidez volátil e acidez fixa, pH, sólidos solúveis totais, extrato seco total, cinzas, açúcar redutor, açúcar não redutor e açúcar redutor total, compostos fenólicos totais, atividade antioxidante, teor alcoólico e concentração de biomassa. Para todas as formulações foram calculados os parâmetros cinéticos da fermentação: rendimento em produto, rendimento em células, produtividade em produto e eficiência da fermentação. Os dados obtidos foram submetidos à análise de variância e o teste de Tukey foi aplicado para identificar diferenças significativas entre as médias, a um nível de confiança de 95%. Os fermentados alcoólicos gaseificados provenientes das três formulações apresentaram valores médios de 7,4 % v/v para o teor alcoólico; 3,54 para o pH; 2,2 ºBrix para o teor de sólidos solúveis totais e 145,20 meq/L para a acidez total titulável. Os resultados dos parâmetros cinéticos para as três formulações variaram de 0,28 a 0,34 para o rendimento em produto, de 0,009 a 0,012 para o rendimento em células, de 0,17 a 0,21 para a produtividade em produto e de 55,56 a 67,30 % para a eficiência da fermentação. Para o teor de compostos fenólicos totais, a formulação com 16 ºBrix apresentou o maior resultado, sendo 8,51 mg EAG/100 mL, com capacidade antioxidante de 488,75 μM TEAC/g de inibição do radical DPPH, 596,04 μM TEAC/g de inibição do radical ABTS e 705,24 μM TEAC/g de poder redutor FRAP. O parâmetro teor alcoólico para todos os fermentados de sapoti gaseificados apresentaram valores dentro da faixa estabelecida pela legislação brasileira para fermentados de frutas, já para a acidez total titulável o único fermentado que obteve resultado dentro do especificado pela legislação foi a bebida desenvolvida pela formulação com 20 ºBrix, com valor médio de 122,4 meq/L.

Orientador: Marcelo Menossi Teixeira Dissertação (mestrado profissional) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: A fermentação alcoólica é um dos temas mais relevantes ensinados na disciplina de Biologia no ensino médio. Porém, na maioria das vezes, não é trabalhada de acordo com a sua importância, abrangência e potencialidade. Quando ensinado exclusivamente de forma teórica, há dificuldade para a compreensão pelos alunos, pela falta de contexto e abstração. O desenvolvimento do tema da fermentação alcoólica usando uma sequência didática investigativa diferenciada e motivadora como estratégia de ensino e aprendizagem pode levar a um melhor entendimento deste tema. A escolha dessa estratégia é devido a sua relevância cultural, facilidade de ser aplicada, baixos custos e riscos reduzidos. Como complemento da sequência didática investigativa, foi elaborado um guia de panificação caseira com receitas de pães feitos com frutas e ou sementes de espécies vegetais nativas de cada região brasileira destacando a relevância da espécie vegetal para o bioma. O guia também traz um breve relato da história do pão, um dos alimentos mais consumidos pela humanidade ao longo do tempo. A avaliação e verificação de aprendizagem serão realizadas continuamente em todas as aulas através de uma ficha de avaliação e de uma prova com questões abertas Abstract: Alcoholic fermentation is one of the most relevant topics taught in Biology in high school. However, most of the time, it is not worked according to its importance, scope and potential. When taught exclusively theoretically, it is difficult for students to understand, due to the lack of context and abstraction. The development of the alcoholic fermentation theme using a differentiated and motivating investigative didactic sequence as a teaching and learning strategy can lead to a better understanding of this theme. The choice of this strategy is due to its cultural relevance, ease of application, low costs and reduced risks. As a complement to the investigative didactic sequence, a homemade bakery guide was prepared with recipes for breads made with fruits and or seeds of plant species native to each Brazilian region, highlighting the relevance of the plant species to the biome. The guide also brings a brief account of the history of bread, one of the most consumed foods by humanity over time. Assessment and verification of learning will be carried out continuously in all classes through an evaluation sheet and an exam with open questions Mestrado Ensino de Biologia Mestre em Ensino de Biologia CAPES 001

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Bioethanol production is an interesting alternative for the replacement of petroleum-based fuels. In order to reduce the production costs, studies have been driven toward finding alternative strains and processes that achieve high yields and productivities for alcoholic fermentation. The use of flocculant yeast is interesting because it shows facilitate separation and thus reusing cells by decantation process. In the present work the use of a flocculantSaccharomyces cerevisiae strain in continuous process was studied employing two tower reactors in series. In the experiments synthetic mediumwas used and the ethanol and sugar analyzes were done by liquid chromatography. Six flocculant yeast strains were evaluated for their fermentative capacity, which resulted in the choice of the strain C2/00, donated by CPQBA. After choosing the strain, the influence of temperature, pH and agitation rate on flocculation and fermentation yield were analyzed, and the best results were obtained at 32°C, pH 4.5 to 5.0 and 150 rpm.The sedimentation velocity of flocculant yeast was influenced by pH, obtaining the highest sedimentation specific velocity, 0.240 min-1 at pH 5.0 and at pH 4.0 was obtained 0.178 min-1. These velocities values alloweda good separation of flakes in the supernatant medium during the fermentation process, facilitating the cells recirculation. It was studied the effectiveness of using natural and commercial antibiotics to control contamination of fermentation and obtained satisfactory results with the use of the Kamoran 6ppm , Beta Bio 35 ppm and 50 ppm for nalidixic acid and ampicillin. It was analyzed several process conditions until reaching the configuration of two tower reactors connected in series with decanters for effluents of both reactors and cell recirculation to the respective reactor. This system was operated satisfactorily and the recirculation of cells ensured a better mixture in the reactor, reaching high yields and high productivities. A Central Composite Design (CCD) was applied to study the simultaneous influence of sucrose concentration in the system feed (S0), recycle flow rate for reactor first(V) and total residence time (TR). The best results were obtained at the central point (S0 = 225 g/L, V = 5 mL/s and TR = 6 h), which were yield 92.4%, productivity of 17.37 g/L.h and 16.03 g/L residual sugar. After studies using synthetic medium, experiments wererealizedwith sugar cane juice as sugar sourcein the reactor system under study and it was obtained a yield of 93.8%. A produção de bioetanol é uma alternativa interessante para a substituição dos combustíveis à base de petróleo. Com intuito de diminuir os custos desta produção, estudos são impulsionados na direção de encontrar leveduras e processos alternativos que alcancem altos rendimentos e produtividades para a fermentação alcoólica. O uso de leveduras floculantes se mostra interessante por facilitar a separação e, consequentemente, a reutilização de células pelo processo de decantação. No presente trabalho, estudou-se o uso de Saccharomycescerevisiae de características floculantes em processo contínuo com dois reatores torre em série com decantadores intermediários e recirculação celular. Os testes utilizaram meio sintético e as análises de etanol e açúcares foram feitas por cromatografia líquida. Foram analisadas seis cepasfloculantes pelo estudo da capacidade fermentativa, que resultou na escolha da cepa C2/00 Saccharomycescerevisiae, doada pelo CPQBA. Após a escolha da cepa foram analisadas a influência da temperatura, pH e agitação na floculação e no rendimento da fermentação alcóolica, sendo verificado que os melhores resultados foram obtidos a 32°C, pH 4,5 a 5,0 e 150 rpm de agitação. A velocidade de sedimentação da levedura floculante foi influenciada pelo pH, obtendo a maior velocidade de sedimentação específica, 0,240 min-1 a pH 5,0 e para valores de pH em torno de 4,0 foi obtido 0,178 min-1. Estes valores de velocidade de decantação permitem uma boa separação dos flocos do meio sobrenadante nos decantadores durante o processo fermentativo, facilitando a recirculação de células.Verificou-se a eficiência do uso de antibióticos naturais e comerciais no controle da contaminação microbiana da fermentação e obteve-se resultados satisfatórios com o emprego de Kamoran a 6ppm, Beta Bio a 35 ppm e 50 ppm de ácido nalidíxico e ampicilina. Estudouse várias condições de processo para se chegar ao sistema de dois fermentadores tipo torre ligados em série com decantadores intermediários, que promoveram a recirculação de células garantindo o funcionamento no processo contínuo e obtendo altos valores de rendimento e produtividade. Foi realizado um Planejamento Composto Central com intuito de analisar a influência simultânea da concentração de sacarose na alimentação (S0), vazão de reciclo para o primeiro reator (V) e tempo de residência total (TR), sendo que os melhores resultados foram obtidos no ponto central (S0 = 225 g/L; V = 5 mL/s e TR = 6h), os quais foram: rendimento de 92,4%, produtividade de 17,37 g/L.h e 16,03 g/L de açúcar residual. Após os estudos utilizando meio sintético, realizou-se experimentos com meios industriais (caldo-decana), para verificar o funcionamento e eficiência do sistema de reatores em estudo e obtevese um rendimento de 93.8%, resultado este promissor quando comparado aos valores obtidos industrialmente. Doutor em Engenharia Química

Orientador: Silvio Roberto Andrietta Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O objetivo geral deste trabalho foi avaliar os efeitos de algumas substancias organicas presentes no melaco de cana-de-acucar sobre cepas de leveduras de uso industrial. O Capitulo I refere-se a uma breve introducao e historico da fermentacao alcoolica. No Capitulo II, foi analisado amostras de melacos industriais, provenientes de 10 unidades produtoras de acucar e alcool, localizadas nos estados de Sao Paulo, Minas Gerais, Goias e Parana, com a finalidade de determinar e quantificar alguns compostos organicos presentes no mesmo. Para tanto foi utilizada a tecnica de Cromatografia Liquida de Alta Eficiencia (CLAE). No Capitulo III foram realizados ensaios para escolher as cepas de melhor desempenho em condicoes de estresse, utilizando-se o planejamento fatorial 23 tipo estrela com triplicata no ponto central. Os fatores estudados foram: a pressao osmotica (utilizando KCl), temperatura e concentracao inicial de Alcool. As cepas Y904 e SA1 foram as que mais se destacaram. No Capitulo IV foram avaliados os efeitos dos compostos organicos (acidos cafeico, galico, latico, piruvico, siringico, vanilico, acetico, formico, butirico e Hidroximetilfurfural) sobre as cepas SA1 e Y904, atraves de fermentacoes em triplicata, utilizando meio sintetico controle e variando as concentracoes de cada composto. Dentro das concentracoes estudadas, apenas os acidos galico, latico, acetico, formico, butirico e Hidroximetilfurfural demonstraram influencia sobre as cepas. A avaliacao do efeito acumulativo das substancias quando se trabalha com reciclo de celulas esta descrita no Capitulo V. Todos os experimentos foram realizados em triplicata e repetidos por oito vezes consecutivas (8 ciclos). O acido latico foi a substancia que mais interferiu no rendimento em etanol (YP/S) e na produtividade, parametros estes de maior importancia nos processos industriais para producao de alcool. Por outro lado, o acido formico apresentou a menor interferencia e efeito negativo para praticamente todos os parametros estudados. Finalmente no Capitulo VI, foram analisados os efeitos dos acidos latico e formico sobre o comportamento cinetico das cepas SA1 e Y904. Os testes foram realizados em biorreator de bancada, por dez horas de fermentacao. O acido latico aumentou tanto a inibicao pelo substrato como pelo produto, mostrando-se ser uma substancia com alto grau de toxicidade para as celulas de leveduras das linhagens estudadas. " RANAXTAU/EJAXGU" / fermentacao alcoolica, cinetica, substratos industriais, compostos organicos, inibicao, levedura Abstract: The general objective of this project was the evaluation of the effects of some organic substances present in molasses, sugar cane on strains of yeast for industrial use. Chapter I refer to a brief introduction and history of alcoholic fermentation. In Chapter II, samples of industrial molasses were examined, from 10 units producing sugar, located in the states of Sao Paulo, Minas Gerais, Goias, and Parana, in order to determine and quantify some organic compounds present in them. In order to this, the technique for High Performance Liquid Chromatography (HPLC) was used. In Chapter III trials were conducted to choose the strains of better performance in terms of stress, using a 23 factorial planning star type with triplicate in central point. The studied factors were: the osmotic pressure (using KCl), temperature and initial concentration of alcohol. The strains Y904 and SA1 were those which stressed most. In Chapter IV were assessed the effects of organic compounds (caffeic, gallic, lactic, pyruvic, syringic, vanillic, acetic, formic, butyric and Hidroximetilfurfural acids) on the strains SA1 and Y904 by the fermentation in triplicate, using synthetic medium and control varying concentrations of each compound. Within the concentrations studied, only the gallic acid, lactic acid, acetic acid, formic, butyric and Hidroximetilfurfural demonstrated influence on the strains. The assessment of the cumulative effect of the substances when working with recycle cell is described in Chapter V. All experiments were performed in triplicate and repeated by eight consecutive times (8 cycles). The lactic acid is the substance that interfere most in income in ethanol (YP/S) and productivity, these parameters of most importance in industrial processes to produce alcohol. Moreover, the formic acid showed the smallest negative interference for almost all parameters studied. Finally in Chapter VI, were analyzed the effects of lactic acid and formic on the behavior of kinetic strains SA1 and Y904. The tests were performed in bench bioreactor for ten hours of fermentation. The lactic acid increased by inhibiting both the substrate and the product, showing to be a substance with a high degree of toxicity to the strains of yeast cells studied. YQTFU" /" alcoholic fermentation, kinetics, industrial substract, organic compounds, inhibition, yeast Doutorado Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Fumio Yokoya Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Resumo: Os microrganismos contaminantes das domas de fermentação alcoólica causam grandes prejuízos econômicos à indústria do álcool. Entre estes contaminantes, sabe-se que o Lactobacillus fermentum provoca a floculação de leveduras Saccharomyces cerevisiae, diminuindo o contato destas com o substrato e reduzindo o rendimento, além do aumentar o tempo de fermentação. A capacidade de flocular leveduras não é encontrada em todas as linhagens de L. fermentum, e quando presente pode ser perdida após seguidos subcultivos. Este trabalho procurou estudar o fator responsável pela capacidade de floculação através da caracterização genética, fisiológica e molecular de linhagens e isolados de L.fermentum FTPT 1405, 1405 NF1, 1405 NFIM, FTPT 1407, 1407 P2 e 1407 F3, floculadoras e não-floculadoras de leveduras. Foi observada grande instabilidade do fator na população de L. fermentum FTPT 1405, na proporção 598:1 colônias floculadoras:colônias não floculadoras. Utilizando os métodos de extração de DNA plasmidial descritos por ANDERSON & McKAY (1983) e PORTNOY (1981) não foi possível a detecção de plasmídios. As culturas floculadoras e não-floculadoras assimilaram os mesmos açúcares (galactose, trealose, frutose rafinose, maltose , manose e ribose), foramcatalase e benzidina negativas, produtoras de gás com crescimento positivo à 45°C e negativo à 15°C. A caracterização molecular realizada através de perfis de ácidos graxos e proteínas não apresentou diferenças marcantes entre as culturas floculadoras e não-floculadoras. A dificuldade de lise dos lactobacilos foi superada utilizando-se 10 mg/ml de lisozima à 37°C por 1h para posterior extração de DNA plasmidial e 5 mg/ml de lisozima à 37°C por uma noite para extração de proteínas. Não se observou remoção de proteínas superficiais em tratamentos com intensa agitação ou temperatura, indicando que tais proteínas devem estar intrinsecamente ligadas à parede bacteriana Abstract: The microbial contaminants of fermentation vats are responsible for considerable economical loss in fuel alcohol industry. Among these contaminants, Lactobacilus fermentum is known to cause flocculation of yeasts cells with reduction on yield and productivity of fermentation process. The flocculation ability is found only in some strains of L. fermentum, and it may be lost by consecutive subculture. This work is carried out to investigate the factor responsible of flocculation ability by genetical, molecular and physiological characterization of flocculating and non-flocculating strains of L. fermentum. It was observed that flocculating ability was quite instable but the plasmids were not detected by methods of Anderson and Mckay (1983) or Portnoy (1981). No difference in biochemical and physiological properties was found between flocculant and non-flocculant strains of L. fermentum. Also there was no detectable difference in fatty acids and protein composition between these strains. Surface protein could not be removed by vigorous shaking or temperature treatment indicating that it is firmly bound to cell envelope Mestrado Mestre em Ciência de Alimentos

Orientador: Silvio Roberto Andrietta Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho tem por objetivo a realização de um estudo aprofundado do processo de fermentação alcoólica contínua em que são utilizados reatores tubulares tipo torre e células auto-imobilizadas. Buscou-se nesse projeto a seleção entre quatro cepas com características floculantes e perfis metabólicos adequados ao trabalho em tais reatores. O anseio por melhorias no sistema de fermentação contínua com células auto-imobilizadas se dá em função da busca por métodos com reduzido custo de produção do etanol, o que ocorre nesse sistema, onde inexiste a necessidade da utilização de unidades de separação de células (centrifugas), reduzindo assim em torno de 15% o custo final do preço do produto acabado. As linhagens utilizadas foram quatro cepas do gênero Saccharomyces cerevisiae com características floculantes e formadoras de partículas esféricas (pellets) quando cultivadas em mesa agitadora circulatória. Duas dessas cepas selecionadas foram obtidas da unidade de fermentação industrial da Usina Junqueira (Igarapava/SP), isoladas durante a safra de janeiro de 2000, são elas as cepas JU C2 e JU C4, outras duas cepas foram obtidas através de recentes isolamentos no Departamento de Biotecnologia e Processos do CPQBA/Unicamp, cepas G1 e G2. No processo de otimização foram utilizados dois reatores tubulares em série, um primeiro reator (R1) recebia um substrato concentrado de sacarose, diluído em linha visando atingir concentrações pré-determinadas para o uso nos experimentos e um segundo reator (R2) que recebia o efluente (vinho fermentado) proveniente de R1. Foram realizados quatro experimentos, cada qual com uma linhagem diferente. Os experimentos tiveram entre 20 a 25 dias de duração cada, porém, para fins de padronização foram selecionados 12 dias de ensaios. Durante os experimentos, diferentes vazões de alimentação aos reatores foram testadas, estas alternaram de forma crescente entre 1,2; 1,5; 1,8 e 2,1 L/h de substrato. Amostras foram retiradas do sistema e analisadas quanto à quantidade de sólidos solúveis, quantidade de ART, etanol produzido e vazão real do sistema. Ao término de cada experimento foram realizadas análises de cariotipagem, potencial de floculação por absorbância e determinação da floculação pela expressão dos genes FLO5 e FLO10. De forma geral, todas as linhagens estudadas mostraram-se hábeis ao trabalho em biorreatores fluidizados, desde que sejam respeitados seus limites metabólicos atuando nesse tipo de reatores. As linhagens JU C4 e G1 sobressaíram-se entre as demais pelo comportamento flexível e adaptável diante das situações impostas ao longo do projeto. Foram capazes de formar leitos celulares estáveis e com bom desempenho na conversão de açúcares á etanol. As linhagens JU C2 e G2 apresentaram também bons resultados na produção de etanol, no entanto, seus perfis como linhagens floculantes exigem uma maior cautela na utilização das mesmas em processos fermentativos. JU C2 com baixo poder floculante, formando por vezes leitos pouco estáveis e G2 com grande poder floculante, formando por vezes leitos compactos com canais preferenciais de passagem de substrato Abstract: using flocculation yeasts of Saccharomyces cerevisiae in fixed bed tower reactors for ethanol production. We sought, through this job, the selection between four flocculent yeasts strains with appropriate metabolic profile to work in this kind of reactor. The selected yeasts strains present strong flocculent characteristics and there is no need to use cell separation unity (centrifuge) after the fermentation process reducing around 15% the costs of ethanol production. Two of these strains, JU C2 and JU C4, were collected from an industrial fermentation unity at Usina Junqueira (Igarapava/SP) during the crop of 2000. The other two strains, G1 and G2, were collected from CPQBA/Unicamp. In the operational optimization were used two fixed bed type tower reactors connected in series, a first one (R1) receive a concentrated sucrose medium diluted in line for reach predetermined concentrations and a second one (R2), that receive fermented wine from the first (R1). The fermentations experiments had between 20 or 25 days, but for standardization of the work 12 days of assays were selected. During the experiments, different feed outflow were tested in the reactors, these had been alternated in a increasing way between 1,2; 1,5; 1,8 and 2,1 L/h of medium. Samples were collected from the system and analyzed the amount of soluble solids, amount of reducing sugars, ethanol and real outflow of the system. In the ending of each experiment were analyzed the karyotyping profile and flocculating potential by absorbance method and expression of the FLO1 and FLO10 genes. The results confirm that all the studied strains are able to work in fluidized bioreactors since their metabolic limits where respected. The best results were obtained with JU C4 and G1 strains. They show a flexible and adaptable behavior ahead the tested situations in this job. They were capable to form steady beds and demonstrate good performance in sugar conversion to ethanol. The other strains, JU C2 and G2, showed nice results in the production of ethanol, however their flocculent profiles demand caution when used in fermentation processes. JU C2 has a low flocculent power forming sometimes unstable cell beds and G2 has a high flocculent power forming sometimes compact cell beds with preferential channels of medium passage Mestrado Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Helia Harumi Sato DissertaçãO (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Resumo: O objetivo deste trabalho foi selecionar leveduras produtoras de fator "killer" e com alta capacidade fermentativa para aplicação na produção de bebidas alcoólicas. Seiscentos e vinte e três linhagens de leveduras foram isoladas de amostras de frutas, caldo e mosto de usinas produtoras de álcool e testadas quanto a produção de fator "killer". As linhagens Y-161-1, Y-167-5, Y-500-4L, Y-500-7R, Y-548, Y-769-9R, Y -769-9RL e Y-769-11 L, identificadas como Saccharomyces cerevisiae foram capazes de produzir fator "killer" que mata as leveduras comerciais Fleischmann e Itaiquara. As linhagens Y -66-1 e Y -1131 identificadas como Hansenula sp e Candida sp respectivamente, foram capazes de matar a levedura Torulopsis glabrata ATCC 15126 (padrão "killer" K11) e não apresentaram atividade "killer" contra as leveduras Fleischmann e Itaiquara. Quando avaliadas quanto à capacidade fermentativa em melaço de cana contendo 24% de açúcares totais a 25°C, as leveduras S.cerevisiae Y-167-5 e Y-500-4L apresentaram maior rendimento de etanol que a levedura Fleischmann enquanto as linhagens S. cerevisiae Y-161-1, Y548, Y-769-11L apresentaram rendimento de etanol similar a levedura Fleischmann. A levedura S. cerevisiae Y-500-4L apresentou maior espectro de ação, maior atividade "killer" e maior rendimento de etanol entre as leveduras testadas Abstract: The objective of this research was to screen yeast cultures for the production of the killer factor and fermentative capacity for the production of alcoholic beverages. Six hundred and twenty three yeast strains were isolated from fruits and from sugar cane juice and must from alcohol producing plants and tested for their production of killer factor. The strains Y-161-1 Y-167-5 Y-500-4L Y-500-7R Y-548 Y-769-9R, Y-769-9RL and Y-769-11L, all identified as Saccharomyces cerevisiae, were shown to produce the killer factor, capable of killing the commercial yeasts produced by Fleischmann and Itaiquara. The strains Y -66-1 and Y -1131, identified as Hansenula sp and Candida sp respectively, were shown to be capable of killing the yeast Torulopsis glabrata ATCC 15126 (standard killer K11) but did not show killer activity against the Fleischmann and Itaiquara yeasts. With respect to their fermentative capacity, using sugar cane molasses containing 24% total sugars as raw material and a temperature of 25°C, the yeast S. cerevisiae Y -167 -5 and Y-500-4L showed greater alcohol production than Fleischmann yeast whilst the strains S. cerevisiae Y-161-1, Y-548 and Y-769-11L showed alcohol yield similar to the Fleischmann yeast. Of the yeast tested S.cerevisiae Y-500-4L showed the greatest spectrum of action, with the greatest killer activity and greatest alcohol production Mestrado Mestre em Ciência de Alimentos

Orientador: Maria Isabel Rodrigues Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenhaira de Alimentos Resumo: A maioria dos trabalhos publicados sobre fermentação alcoólica por Saccharomyces cerevisiae apresenta parâmetros cinéticos determinados em condições muito diferentes daquelas praticadas pelas usinas nacionais. Além disso, muitos processos foram estudados em condições isotérmicas não permitindo verificar-se a influência da temperatura no rendimento e na produtividade do processo. Neste trabalho, o objetivo principal foi otimizar as condições operacionais de um processo de fermentação alcoólica usando a metodologia do planejamento fatorial e análise de superfície de resposta, de modo a maximizar o rendimento e a produtividade. Os parâmetros estudados foram: o perfil de temperatura, o tempo de residência, a concentração de células do reciclo e a distribuição de alimentação de mosto entre a primeira e a segunda dorna de fermentação em um sistema constituído por quatro reatores CSTRs ideais, em série, com reciclo de células. Através de simulações por computador, com resolução numérica por Runge-Kutta de quarta ordem das equações diferenciais ordinárias, foram obtidas as respostas de rendimento e produtividade do processo. Os parâmetros cinéticos utilizados na modelagem matemática foram obtidos de literatura, a partir de trabalhos cujas condições experimentais utilizadas foram as mais próximas possíveis da realidade nacional (substrato a partir de cana-de-açúcar, microrganismo isolado de usina e faixa de temperatura dentro das condições climáticas do país). Primeiramente, aplicou-se a metodologia de PLACKETT-BURMAN (1946) para as dez variáveis de processo estudadas, e destas selecionou-se somente parâmetros considerados importantes para cada resposta de modo a serem usados na otimização do rendimento e da produtividade. Após definidas as variáveis importantes para cada resposta, utilizou-se a metodologia do planejamento fatorial e análise de superfície de resposta e verificou-se que com a temperatura da dorna 1 em 34°C, a dorna 2 a 32°C, as dornas 3 e 4 a 30°C, os tempos de residência nas quatro dornas de l,25h, uma distribuição de alimentação de mosto 1:1 entre a primeira e a segunda dorna e uma concentração de células no reciclo de 90 kg/nr5, atinge-se um rendimento de 86,28% (99,1% de conversão) e uma produtividade de 12 g/l.h, o que corresponde a um ganho de 48,16% em relação ao processo não otimizado Abstract: The culture conditions used in most of the works published on alcoholic fermentation with Saccharomyces cerevisiae showed to be different from those used in brazilian destilleries. Besides this, many works were carried out on isothermic conditions so that the temperature effect on yield and productivity couldn't have been verified. In this work the main objective was to optimize the operational conditions of a typical large scale alcohol brasilian plant, using the factorial design and surface analyses technique in order to maximize yield and productivity. The parameters studied were: the temperature profile, residence time, cell recycle concentration and medium feed distribution between first and second stage. The fermentation system consisted of four CSTR's linked in serie, with cell recycle. Through of computer simulation, using the 4th order Runge-Kutta method, the values of yield and productivity were obtained. The kinetic parameters used in the mathematical modeling were obtained from the literature and relating to the specific brazilian fermentation conditions (sugar-cane molasses as substrate, microrganism isolated from industrial plant and the range of temperature). At first, the PLACKETT-BURMAN (1946) serening methodology was performed with ten parameters leading, to the selection of 5 parameters as the most important to optimize the yield and productivity. Further, using the surface response method, the optimal operational conditions was verified as following: the temperature of 34°C for the first stage, at second stage 32°C, at stages 3 and 4, 30°C; the residence time was the same in all stages and equal to 1.25 h; the distribution ratio between the first and second stage was 1:1 and the cell recycle concentration was 90 kg/m3.The process yield and productivity using these parameters values were respectively 86.28% and 12 g/l.h, which means a gain of 48.16% in productivity, compared to a non optimized process with similar yield Mestrado Mestre em Engenharia de Alimentos

Orientador: Pilar Rodriguez de Massaguer Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Resumo: Nesta pesquisa é proposto um processo de tratamento térmico do mosto, com máxima preservação do conteúdo em açúcares fermentescíveis (sacarose, glicose e frutose), a fim de promover a inativação térmica de seus contaminantes bacterianos e por extensão os da fermentação alcoólica. Com esse objetivo foram examinadas as cinéticas de degradação térmica da sacarose, glicose, frutose e açúcares redutores totais (ART) (110 ¿ 140ºC) e também dos esporos de B. stearothermophilus (98 ¿ 130ºC), esporulado termo-resistente contaminante típico de mosto. Todos os fatores termodegradáveis estudados apresentaram cinéticas de destruição térmicas não-lineares de forma que o índice de redução decimal (D), obtido por regressão linear, não foi representativo da velocidade de inativação térmica, e assim as cinéticas foram analisadas mediante modelos não lineares que permitiram obter as constantes de velocidade de inativação (k). Seguidamente utilizando um gráfico tipo Arrhenius a energia de ativação Ea foi determinada e o valor de z foi obtido. As curvas de sacarose remanescentes obtidas durante estudo da sua hidrólise térmica, foram ajustadas por modelos logísticos que se mostraram apropriados para descrever ombros planos e caudas finais nas curvas cinéticas. A energia de ativação e valor z obtidos foram 112,32 kJ/mol e 26,99ºC, respectivamente. Essa reação se mostrou praticamente equimolecular quanto às hexoses produzidas. As curvas de concentração de ART vs tempo remanescentes foram ajustadas por modelos logísticos bipopulacionais, apropriados em casos em que o processo global é descrito por duas frações de compostos, as hexoses glicose e frutose, que se degradam em velocidades diferentes e apresentam ombros e caudas. Os valores de energia de ativação obtidos para a frutose e glicose foram bem próximas: 140,37 kJ/mol e 140,23 kJ/mol, respectivamente. Os valores z obtidos foram 21,59ºC e 21,61ºC. Quanto às velocidades de degradação a frutose apresentou velocidade 9 vezes maior do que a da glicose. A suspensão de esporos se mostrou heterogênea em resistência. A temperatura influenciou a forma das curvas de sobreviventes, para os esporos de B. stearothermophilus ATCC1518. Nas temperaturas mais baixas, as curvas de inativação térmica apresentaram ombro plano, passando por comportamento de modelos de frações lineares consecutivas, e finalmente na temperatura mais elevada apresentou modelo linear com eliminação da fração termo-sensível. Os valores de energia de ativação e z obtidos foram 249,52 kJ/mol e 11,48ºC, respectivamente. O processo térmico para inativação dos contaminantes do mosto foi definido após o decantador, onde foram quantificados grandes grupos microbianos em amostras coletadas de Usinas situadas em regiões de clima e umidade distintas. A concentração máxima de esporos termofílicos produtores de acidez plana foi de 9x101esporos/ml de mosto em Usina localizada em região quente e úmida enquanto um valor de 4 esporos/ml de mosto foi encontrado em Usina localizada em região de clima seco e com predominância de solo com baixa capacidade de retenção de água. Foi determinada a letalidade do processo de decantação para os contaminantes do caldo de cana e mosto através da determinação da história térmica mínima detectada no ponto mais frio de dois decantadores industriais. Baseado no tempo de residência médio e na temperatura mais fria detectada foi possível estimar que a decantação produz, em média, 4,0 x 106 reduções decimais da população de Lactobacillus fermentum e apenas 0,14 reduções decimais nos esporos de B. stearothermophilus. Baseado no conhecimento da cinética dos principais fatores termodegradáveis foi definida uma região de tratamento térmico que se extende dos 114 a 140ºC e de 3000 a 4 segundos. Graficamente essa região é um triangulo delimitado, abaixo pela reta correspondente a 5 reduções decimais dos esporos de B. stearothermophilus e acima pela reta correspondente à preservação de 98,7% dos ART do mosto. O nível de preservação de 98,7% dos ART foi escolhido pela precisão das análises usadas na determinação dos mesmos (1,3%). Qualquer processo térmico dentro dessa região será capaz de satisfazer o requisito de 5 reduções decimais dos esporos de B. stearothermophilus e preservação de 98,7% dos ART do mosto. A prática desse processo térmico implica na adoção de uma estratégia preventiva no controle da contaminação da fermentação em oposição às estratégias corretivas baseadas no uso de antibióticos que se pratica nas Usinas de Açúcar e Álcool Brasileiras Abstract: In this research is proposed a thermal treatment process for sugar cane must with maximum retention of fermentable sugar (sucrose, glucose and fructose), to promote a thermal inactivation of its bacterial contaminants and therefore, those of alcoholic fermentation. With this objective were examined the thermo degradation kinetics of sucrose, glucose, fructose, total reducing sugars (TRS) (110 ¿ 140ºC) and also B. stearothermophilus spores (98 ¿ 130ºC), a typical thermo resistant sporulated contaminant of musts. All thermo degradable factors showed non-linear thermal destruction kinetics due to this the D value, obtained for linear regression, could not be used, thus the kinetics were reported by Arrhenius model, obtaining the reaction rates (k), Activation Energy (Ea) and the z value through out Ea values. Sucrose remaining curves obtained as a function of time during its thermal hydrolysis, were fitted by logistic models which are suitable to describe flat shoulders and ending tales in the kinetic curves. Activation Energy and z value were 112,32 kJ/mol and 26,99°C, respectively. This reaction showed to be equimolecular in regard to the produced hexoses. TRS remaining curves vs time were adjusted by logistic bipopulational models, suitable when the overall process presents two fractions, the hexoses glucose and fructose, with different degradation rates with shoulders and tales. Ea and z values for fructose and glucose were quite close: 140,37 kJ/mol, z of 21,59°C and 140,23 kJ/mol, z of 21,61°C, respectively. As far as degradation rates are concerned, fructose showed to degrade 9 times faster than glucose. Spores suspension showed heterogeneity in thermal resistance. Temperature affected the shape of survival curves for B. stearothermophilus ATCC1518 spores. At lower temperatures, it showed flat shoulder, passing through consecutive linear fraction models behaviors, and finally at higher temperatures followed linear model with elimination of the thermo-sensible fraction. Ea and z values were 249,52 kJ/mol and 11,48°C respectively. A thermal process for sugar cane must contaminant inactivation was defined after the decanter, where microbiological quantification of various microbial groups was carried out on samples from sugar cane mills located in region with different climate and humidity conditions. The maximum thermophilic flat-sour spores count was of 9 x 101 spores/ml of must and was originated from a sugar cane mill located at the warmest and most humid region, while a count of 4 spores/ml of must was found in a plant with dry climate and with soil of low capability for water retention. Decanters lethality of must contaminant was determined based on the minimum detected thermal history in two industrial equipments. Applying the average residence time with this thermal history, it was estimated that the decantation results, on average, 4,02*106 log reductions of Lactobacillus fermentum and only 0,13 log reductions in the counting of B. stearothermophilus spores. Based on the kinetic knowledge of the thermo degradable major factors it was established a thermal process region from 114 to 140C and 3000 to 4 seconds. Graphically, this region is a triangle delimited by the line for 5 log reductions of B. stearothermophilus (lower limit), and the line for 98,7% retention of the must TRS. This preservation level was adopted considering the accuracy of the sugar analysis methodology (1,3%). Any thermal process within this region will be able to satisfy the requirement of 5 log reductions for B. stearothermophilus and 98,7% retention of must TRS. The implementation of this thermal process implies in the adoption of a preventive strategy in the contamination control of the fermenting process, opposite to the corrective strategies currently applied based on antibiotics, which is common practice in Brazilian Sugar Canes mills Mestrado Ciência de Alimentos Mestre em Ciência de Alimentos

Orientador: Francisco Maugeri Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Doutorado Doutor em Engenharia de Alimentos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) Bacteria of Lactobacillus genus are one of the most frequent biological contaminants in the ethanol production. Contamination control has been performed with antibiotics and acid treatment, although be effective, these techniques have limitations, which promotes the search for other antimicrobials. In this work, the antimicrobial activity of essential oil (EO) from ‘Fremont’ IAC 543 mandarin (cultivated at Poncirus trifoliata rootstock) on Lactobacillus fermentum, a contaminant bacterium from the ethanolic fermentation process, and Saccharomyces cerevisiae PE-2, an industrial yeast, have been evaluated. The OE was obtained by hydrodistillation and the following effects were studied: EO on L. fermentum in proliferative conditions (microdilution testes and disk diffusion); pH in addition with EO to control L. fermentum in non-proliferative condition; EO on L. fermentum and S. cerevisiae in proliferative and non-proliferative conditions (time-kill); EO concentration in non-proliferative conditions to control L. fermentum, in order to have minimal effect on S. cerevisiae viability; EO on L. fermentum and S. cerevisiae in co-culture; and EO application in cell treatment of fermentative cycles. In disk-diffusion assay, antibacterial activity was observed only with EO without dilution. Although, in microdilution test in proliferative conditions, when EO concentration was increased from 0.05% to 12.8% v/v, which has resulted in a decrease of maximum growth specific rate and a longer lag period, there was no inhibition of bacterial growing. In non-proliferative conditions (water), 0.2% v/v EO has resulted in a decrease of four logarithmic cycles on L. fermentum, the same effect of acid treatment in 2 hours. In time-kill tests, all the bacterial viability was lost and there was a decrease of one logarithmic cycle on S. cerevisiae after 1.5 hour with 0.2% v/v EO in water. When it was used with 3 mg/L of monensin antibiotic, the overall loss of bacteria viability has occurred after 4.5 hours, however in cultivation medium with EO, it was after 6 hours. The efficiency of EO on L. fermentum was maintained and the effect was lower for S. cerevisiae with the reduction of EO concentration from 0.2% to 0.05% v/v. At the last concentration, EO effect was lower for both microorganisms in co-culture. In sugar cane juice and adding EO to the cell treatments at three fermentative cycles, it was observed a decrease of 1.5 log cycles for yeast and bacterium, a lower ethanol production, increase in residual sugar concentration and pH. The results obtained has invalidated the application of the EO on fermentative process to control L. fermentum, nevertheless, the satisfactory antibacterial action revealed in pure cultivation stimulates further studies to discover new alternatives for EO to replace sulfuric acid in the cell treatment during fermentation process for bioethanol production. Dentre os micro-organismos contaminantes mais frequentes na produção de etanol estão as bactérias do gênero Lactobacillus. O controle da contaminação é realizado com antibióticos e tratamento ácido, porém apesar de eficazes, essas técnicas apresentam limitações, o que estimula a procura por outros antimicrobianos. Nesse trabalho foi avaliada a atividade antimicrobiana do óleo essencial (OE) de tangerina ‘Fremont’ IAC 543 (cultivada em porta-enxerto Poncirus trifoliata) sobre a bactéria contaminante Lactobacillus fermentum e a levedura industrial Saccharomyces cerevisiae PE-2. O OE foi obtido por hidrodestilação e foram estudados os efeitos: do OE sobre L. fermentum em condições proliferativas (testes de microdiluição e disco-difusão); do pH em adição com OE para o controle de L. fermentum em condições não-proliferativas; do OE sobre L. fermentum e S. cerevisiae em condições proliferativas e não-proliferativas (time-kill); da concentração de OE em condições não-proliferativas para o controle de L. fermentum de modo a exercer mínimo efeito sobre a viabilidade de S. cerevisiae; do OE sobre L. fermentum e S. cerevisiae em co-cultura; e da aplicação do OE no tratamento celular entre os ciclos fermentativos. No ensaio de disco-difusão, a ação antibacteriana foi verificada somente com o OE sem diluição, no entanto, no teste de microdiluição em condições proliferativas, o aumento da concentração do OE de 0,05% a 12,8% v/v resultou em diminuição da velocidade específica de crescimento máxima e maior duração da fase lag, não havendo inibição do crescimento bacteriano. Em condições não proliferativas (água), 0,2% v/v do OE causou redução de 4 ciclos logarítmicos em L. fermentum, mesmo efeito que o tratamento ácido em 2 horas. Nos ensaios de time kill, houve perda total da viabilidade da bactéria e redução de 1 ciclo logarítmico no número de S. cerevisiae após 1,5 hora com 0,2% v/v do OE em água. Com 3 mg/L do antibiótico monensina, a perda total de viabilidade da bactéria ocorreu apenas com 4,5 horas, porém em meio de cultura com OE, não houve perda da viabilidade da bactéria dentro de 6 horas. A eficácia do OE sobre L. fermentum se manteve e o efeito foi menor para S. cerevisiae com a redução da concentração do OE de 0,2% para 0,05% v/v. Nessa última concentração, observou-se menor efeito do OE sobre ambos os micro-organismos em co-cultura. Em meio de caldo de cana e aplicando o OE nos tratamentos celulares em três ciclos fermentativos, houve redução de cerca de 1,5 ciclo log para a levedura e bactéria, menor produção de etanol, aumento do teor de açúcar residual e do pH do meio de fermentação. Os resultados obtidos inviabilizam a aplicação desse OE no processo fermentativo para o controle de L. fermentum, porém, a satisfatória ação antibacteriana apresentada em cultura pura estimula a continuação dos estudos para encontrar alternativas para o emprego desse OE como substituto do ácido sulfúrico no tratamento celular. CAPES 001 (recursos e bolsa de mestrado) FAPESP (Processo 2018/19139-2)

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Carlos Eduardo Vaz Rossell Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: A produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos, denominada "etanol de segunda geração" (E2G), em larga escala é um desafio técnico-econômico em função da dificuldade em acessar e converter os carboidratos em açúcares fermentescíveis a etanol com alto rendimento e produtividade. Diversas rotas têm sido pesquisadas e avaliadas extensivamente para o seu desenvolvimento tecnológico de maneira sustentável. A rota adotada neste trabalho é baseada na separação de correntes. Há uma primeira etapa de pré-tratamento em que se recupera o hidrolisado hemicelulósico. A fermentação de pentoses apresenta grandes obstáculos, sendo as principais a elevada carga de inibidores, micro-organismo pouco apto, além de rendimento e produtividade baixos. A fração sólida pré-tratada, rica em celulose, é hidrolisada pela ação de um conjunto de enzimas para a sua conversão a glicose. As dificuldades nessa etapa são baixo rendimento e produtividade, e elevado custo. Neste trabalho adotou-se a fermentação do hidrolisado celulósico pelo processo atualmente praticado nas usinas de etanol de primeira geração (E1G). Foram abordados o estudo da fermentação integrada com caldo e melaço de cana-de-açúcar, e de maneira autônoma. O objetivo foi analisar o impacto da integração no processo brasileiro atual de fermentação alcoólica com reciclo de células, pois os componentes inibitórios poderiam afetar o desempenho fermentativo e as funções metabólicas da levedura, inviabilizando a sua integração. Hoje a área de fermentação é responsável pela menor eficiência industrial devido a diversos fatores negligenciados, como contaminação bacteriana e instalações inapropriadas. Já a fermentação de maneira independente em uma unidade autônoma de E2G foi avaliada para determinar a suplementação de nutrientes necessária a partir de fontes economicamente viáveis. Neste trabalho foram levantados dados experimentais de fermentação em biorreatores de bancada de 1 L e 2 L. O hidrolisado celulósico foi obtido por pré-tratamento hidrotérmico de bagaço de cana-de-açúcar em reator de 350 L seguido de hidrólise enzimática em reator de 20 L com conjunto de enzimas comerciais. A fermentação alcoólica integrada com 16% de hidrolisado celulósico em batelada com reciclo de células em 10 ciclos consecutivos teve um desempenho muito similar à fermentação de E1G. A fermentação com 100% de hidrolisado foi viável mediante a suplementação com 8% de melaço. O vinho dessas fermentações foi destilado em um sistema de batelada para a caracterização da mistura hidroalcoólica e da vinhaça. A mistura hidroalcoólica apresentou propriedades físicas próximas às especificadas pela ANP para etanol combustível em relação a condutividade, acidez e pH. A vinhaça apresentou DBO e DQO similares e nitrogênio total bem menores aos valores usuais de vinhaça de E1G. As taxas de crescimento celular foram menores comparadas à fermentação de E1G. Entretanto, não prejudicou o desempenho fermentativo. Porém, não é possível afirmar que não haverá prejuízo na indústria, uma vez que a taxa de crescimento deve compensar a perda de células na centrifugação para manter a produtividade. Dessa maneira, foram estudadas as condições favoráveis de reativação de células para remediar os efeitos colaterais dos inibidores do hidrolisado Abstract: The production of ethanol from lignocellulosic materials, named "second-generation ethanol" (E2G), on a large scale is a techno-economical challenge due to the difficulty in accessing and converting carbohydrates into fermentable sugars and then into ethanol with high yield and productivity. Several routes have been extensively researched and evaluated for its technological development in a sustainable way. The route adopted in this work is based on the separation of streams. There is a first step of pretreatment wherein the hemicellulosic hydrolysate is recovered. Pentose fermentation presents major obstacles, mainly the high load of inhibitors, ineffective performance of the micro-organism, as well as low yield and productivity. The pretreated solid fraction, rich in cellulose, is hydrolyzed by the action of a set of enzymes for its conversion into glucose. The drawbacks of this step are low yield and productivity, and high cost. This work adopted the fermentation of cellulosic hydrolysate by the process currently employed in first-generation ethanol plants (E1G), through an integrated configuration and stand-alone unit. The aim was to analyze the impact of integration in the current Brazilian process of alcoholic fermentation with cell recycling, since the inhibitory components could affect the fermentative performance and metabolic functions of the yeast, invalidating the integration. Nowadays, the field of fermentation is responsible for the lowest industrial efficiency because of many neglected factors, such as bacterial contamination and improper installations. Comparatively, fermentation on a stand-alone E2G unit was evaluated to determine the required nutrient supplementation from economically viable sources. In this work, experimental data on fermentation were collected using bench bioreactors of 1 L and 2 L. The cellulosic hydrolysate was obtained by hydrothermal pretreatment of sugarcane bagasse in a 350-L reactor followed by enzymatic hydrolysis using a 20-L reactor and a set of commercial enzymes. The integrated alcoholic fermentation with 16% of cellulosic hydrolysate in batch mode with cell recycling in 10 consecutive cycles showed a very similar performance to the fermentation of E1G. Fermentation using cell recycling with 100% of hydrolysate was feasible by supplementation with 8% of molasses. The wine from these fermentations was distilled in a batch system for characterization of the hydro alcoholic and vinasse fractions. The hydro alcoholic fraction exhibited physical properties similar to those specified by ANP for fuel ethanol in relation to conductivity, acidity and pH. Vinasse presented similar BOD and COD and total nitrogen considerably lower than the usual values of E1G vinasse. Cell growth rates were lower compared to the fermentation of E1G. Nevertheless, it did not impair the fermentative performance. However, it is not possible to assert that there will be no damage in the industry, since the growth rate must compensate cell loss in centrifugation to maintain productivity. Thus, the favorable conditions for cell reactivation were studied to alleviate the side effects of hydrolysate inhibitors Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutora em Engenharia Química FAPESP 2011/51902-9

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Rafael Ramos de Andrade Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Após certa estagnação e perda dos incentivos da década de 70, a produção de etanol no Brasil retomou seu crescimento após a introdução dos carros bicombustíveis (flex-fuel) em 2003. O Brasil é hoje o segundo maior produtor mundial de etanol por via fermentativa, perdendo apenas para os EUA. Uma maior flexibilidade do processo é obtida quando o açúcar e o etanol são produzidos conjuntamente. Assim, o melaço de cana-de-açúcar, subproduto da fabricação do açúcar, pode ser utilizado para a produção de etanol. Acoplando o fermentador a um método de remoção contínua de inibidor, tal qual a técnica de arraste gasoso, é possível potencializar a utilização do melaço de maneira que maiores concentrações de substrato na alimentação sejam admissíveis, sem que o limiar de toxicidade do etanol no meio seja atingido. Dessa forma, utilizando-se um mosto menos diluído, é possível reduzir custos de separação (destilação, centrifugação) e de projeto, gerando, principalmente, um menor volume de resíduo (vinhaça) frente à quantidade de etanol produzida. Portanto, o objetivo deste trabalho foi desenvolver estudos em escala de laboratório de um processo fermentativo extrativo, consistindo, basicamente, de um fermentador (no qual gases seriam injetados para promover o arraste do etanol) e de um condensador, para recuperação do etanol arrastado. As etapas do trabalho consistiram na simulação computacional do processo (utilizando-se, para tanto, o software comercial Aspen Plus®), que foi útil para encontrar faixas compatíveis de utilização das variáveis; bem como a montagem do protótipo em escala de bancada. Os experimentos de fermentação em batelada, com o acoplamento do condensador, utilizaram Saccharomyces cerevisiae e melaço como substrato. O acompanhamento analítico foi realizado através de análises de açúcares redutores totais, etanol, glicerol e massa seca. Os resultados obtidos mostraram a eficácia da técnica, onde foi possível manter a concentração de etanol no caldo abaixo do limiar de toxicidade (concentrações não maiores que 60 g/L) com um consumo quase que total dos açúcares, mesmo nas mais elevadas concentrações (300 g/L). O condensado, por sua vez, apresentou-se livres de outros compostos orgânicos que não fossem o etanol, sendo que concentrações majoritariamente entre 200-250 g/L foram obtidas. Comparativamente à fermentação em batelada convencional, a técnica mostrou melhorias de produtividade (2,39 a 3,58 g/L.h chegando a um aumento de 43 % em relação à produtividade da fermentação convencional) apresentando ainda maiores taxa de consumo de substrato (5,8 a 7,87 g/L.h chegando a um aumento de 42% em relação ao consumo da fermentação convencional), resultando em um menor tempo de fermentação. Maiores concentrações de açúcares e menores vazões de gases tornaram o processo mais atrativo uma vez que, nessas condições, há menor adição de água na fermentação e um condensado mais concentrado em etanol é alcançado (seletividade variando de 5,19 a 11,34) Abstract: After stagnation and loss of government incentives of the 70s, the ethanol production in Brazil resumed its growth after the introduction of flex-fuel cars in 2003. Brazil is now the world's second largest producer of ethanol by fermentation, second only by the US. A more flexible process is obtained when the sugar and ethanol are produced jointly. Thus, sugarcane molasses, a byproduct from sugar manufacturing, can be used for production of ethanol. Coupling the fermentor to a method for continuous inhibitor removal, such as the gas stripping technique, it is possible to enhance the use of the molasses so that higher substrate concentrations in the feed are allowable, without reaching the threshold of toxicity of ethanol in the medium. Thus the use of a less diluted sugarcane must can reduce the separation costs (distillation, centrifugation) and project, generating a smaller amount of residue (vinasse) against the amount of ethanol produced. Therefore, the objective of this study was to develop experiments of an extractive fermentation in laboratory scale, which consisted basically of a fermentor (in which gases would be injected to promote ethanol stripping) and a condenser, for recovery of the stripped ethanol. The steps of this work consisted of the computer simulation of the process (using, therefore, commercial software), which was helpful in finding compatible ranges for the use of variables and mounting the prototype in bench scale. Fermentation experiments in batch mode, with the coupling condenser, used Saccharomyces cerevisiae and molasses as substrate. The analytical monitoring was done through total reducing sugars, ethanol, glycerol and dry weight determinations. The results show the effectiveness of the technique since it was possible to keep the ethanol concentration in the broth below the threshold of toxicity (concentrations below 60 g/L) with almost total consumption of the sugars, even for the highest concentrations (300 g/L). The condensate, in turn, was free of other organic compounds, apart from ethanol, where concentrations predominantly between 200-250 g/L were obtained. Compared with conventional batch fermentation, the technique showed improvements in productivity (2.39 to 3.58 g/L.h an increment of 43 %) presented larger substrate consumption as well (5.8 to 7.87 g/L.h an increment of 42 %) in a shorter fermentation time. Higher sugar concentrations and lower gas flow rates become the process more attractive, since in these conditions, less water is added to the fermentation, and more concentrated condensate in ethanol is reached (selectivity ranging from 5.19 to 11.34) Doutorado Engenharia Química Doutor em Engenharia Química FAPESP 2012/17706-0

Orientadores: Aline Carvalho da Costa, Rubens Maciel Filho, Francisco Maugeri Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O objetivo deste trabalho é modelar um processo de produção de etanol a partir da fermentação de hidrolisado enzimático de bagaço concentrado com melaço de cana-de-açúcar. Para este propósito, foram realizadas 23 fermentações em batelada com e sem reciclo de células em várias temperaturas: 30, 32, 34, 36 e 38 °C. O reciclo visa avaliar a influência da exposição da levedura S. cerevisiae ao hidrolisado contendo inibidores (especialmente ácido acético) por longos períodos de tempo, e com altas concentrações celulares. Para cada temperatura a primeira fermentação foi realizada com inóculo fresco e realizaram-se no mínimo 4 reciclos. Inicialmente avaliou-se um modelo desenvolvido em trabalho anterior (ANDRADE, 2007) para fermentação de melaço de cana. Este modelo não foi capaz de descrever novas fermentações na presença de alterações da matéria-prima, nem mesmo quando o substrato era melaço de uma safra diferente. Devido ao grande número de parâmetros (11) no modelo, desenvolveu-se uma metodologia de re-estimação, na qual os parâmetros mais sensíveis eram reajustados, e os menos sensíveis mantidos fixos, tornando a re-estimação mais simples. Para isso fez-se uma análise de sensibilidade paramétrica através de planejamentos de Plackett-Burman usando o software STATISTICA, variando os parâmetros cinéticos e calculando seus efeitos nos perfis de concentração de células, substrato e etanol. Os parâmetros mais relevantes nos perfis foram ?máx, Pmáx, Yx e Yp/x, os quais foram escolhidos para serem reajustados quando se alterava o substrato. Com o reajuste desses 4 parâmetros, foi possível descrever os dados experimentais da fermentação de melaço de nova safra com precisão. O mesmo algoritmo de re-estimação foi utilizado para ajuste dos parâmetros do modelo de fermentações de caldo hidrolisado concentrado com melaço. Além dos 4 parâmetros definidos como mais importantes (?máx, Pmáx, Yx ,Yp/x), re-estimou-se também o parâmetro Xmáx, já que no desenvolvimento do modelo original não foi considerado reciclo de células, havendo baixa concentração de biomassa. Acrescentou-se, ainda, ao modelo original, um termo para levar em conta a inibição por ácido acético, logo estimaram-se também os parâmetros relacionados. Após re-estimação dos parâmetros usando um algoritmo de otimização quasi-Newton desenvolvido em COMPAQ VISUAL FORTRAN, realizou-se nova análise de sensibilidade para verificar se os parâmetros mais sensíveis continuavam sendo os mesmos. Neste caso, o ?máx deixou de ser xviii relevante se a análise fosse feita no tempo final de fermentação, porém realizando análise de sensibilidade em diferentes tempos, mostra-se que ?máx tem efeito nos perfis do modelo no início da fermentação. Foi possível desenvolver um modelo preciso que descreveu as fermentações em batelada com e sem reciclo de células em função da temperatura mantendo 11 dos 13 parâmetros (ajustados a partir de dados de fermentação de hidrolisado concentrado com melaço) fixos. Apenas os parâmetros Yx e Yp/x tiveram valores diferentes para as fermentações com reciclo Abstract: The objective of this paper is to model a process of ethanol production from sugarcane bagasse hydrolysate concentrated with molasses. For this purpose, experimental data were obtained from 23 batch fermentations with and without cells recycle in different temperatures: 30, 32, 34, 36 e 38 °C. The recycle aims to evaluate the influence of exposing the yeast S. cerevisiae to the hydrolysate inhibitors (specifically acetic acid) for long time periods, and under high cell concentrations. For each temperature the first fermentation was performed with fresh inoculum and at least 4 recycles were carried out. Initially a model developed in a previous work (ANDRADE, 2007) for sugarcane molasses fermentation was evaluated. This model was not able to describe new fermentations in the presence of changes of raw material, not even when the substrate was molasses from a different harvest. Due to the large number of parameters (11) in the model, a re-estimation methodology was proposed, in which the most sensitive parameters were adjusted and the less sensitive were kept fixed, making the re-estimation easier. A parametric sensitivity analysis through Plackett-Burman designs was performed, using the software STATISTICA, by varying the kinetic parameters and calculating their influence on the profiles of cell, substrate and ethanol concentrations. The most relevant parameters in the profiles were ?max, Pmax, Yx and Yp/x, which were chosen to be re-estimated when there was change in the substrate. With the re-estimation of these four parameters, it was possible to describe the experimental data from fermentation of molasses from a new harvest accurately. The same re-estimation algorithm was used to adjust the parameters of the fermentation of hydrolysate concentrated with sugarcane molasses. In addition to the 4 parameters defined as most important (?max, Pmax, Yx, Yp/x), Xmax was also re-estimated, since the development of the original model did not consider recycling of cells, which resulted in a low biomass concentration. A term to account for the inhibition by acetic acid was added to the original model, so the related parameters were also estimated. After the parameters re-estimation using a quasi-Newton optimization algorithm developed in COMPAQ VISUAL FORTRAN, a new sensitivity analysis was carried out to verify if the most sensitive parameters remained the same. In this case, ?max had no influence if xx the analysis was performed at the end of the fermentation, but by performing the sensitivity analysis at different times, ?max was shown to influence the model profiles at the beginning of fermentation. It was possible to develop an accurate model that described the batch fermentations with and without cells recycle as a function of temperature keeping 11 of the 13 parameters (adjusted from data of fermentation of hydrolyzate concentrated with molasses) fixed. Only the parameters Yx and Yp/x had different values for the fermentation with recycle Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Blueberries are widely recognized for their beneficial health effects due to their bioactive compounds content. In addition, balsamic vinegars trade developed quickly because of their wide acceptance in gourmet food. A novel product made with second quality berries, being suitable for human consumption, i.e., blueberry balsamic vinegar, was evaluated. This work aimed to assess changes in Total Anthocyanins (TA), Total Phenolics (TP), and antioxidant activity during production process of blueberry balsamic vinegar, at the following stages: raw material, blueberries juice after enzyme treatment, blueberries alcoholic substrate, blueberries vinegar, concentrated blueberry juice and blueberries balsamic vinegar. Additionally, three alternative evaporation systems, rotary vacuum evaporator, microwave and vacuum microwave, were evaluated in order to determine the concentration method that best retains TA and TP in blueberry juice for its further use in this process. The highest TA and TP retention was achieved by blueberry juice concentration with a rotary vacuum evaporator. On the other hand, both alcoholic fermentation and acetification negatively affected those compounds and antioxidant activity during vinegar production. However, mixing with concentrated juice to obtain blueberry balsamic vinegar allowed balancing nutrient concentration reductions due to processing. The present study showed that production of blueberry balsamic vinegar gives rise to an interesting possibility to reduce losses due to fruit waste while getting added value products with healthy qualities. Resumo Os mirtilos são amplamente reconhecidos por seus efeitos benéficos à saúde pelo conteúdo em compostos bioativos. Além disso, o mercado de vinagre balsâmico se desenvolveu muito rapidamente, em razão da ampla aceitação de alimentos gourmet. Neste trabalho, um novo produto foi avaliado, o vinagre balsâmico de mirtilo, produzido com bagas de segunda qualidade, mas adequado ao consumo humano. O objetivo foi analisar as variações de antocianinas totais, compostos fenólicos totais e atividade antioxidante durante o processo de obtenção de vinagre balsâmico de mirtilos, nas seguintes etapas: matéria-prima, suco de mirtilo após tratamento enzimático, substrato alcoólico de mirtilo, vinagre de mirtilo, suco concentrado de mirtilo e vinagre balsâmico de mirtilo. Além disso, para determinar o método de concentração que retém a maior concentração de antocianinas e fenóis totais no suco de mirtilo, três sistemas de evaporação alternativos foram analisados: evaporador rotativo a vácuo, forno de micro-ondas e forno de micro-ondas a vácuo. As maiores concentrações foram obtidas por evaporação em evaporador rotativo a vácuo. Por outro lado, a fermentação alcoólica e a acetificação afetaram negativamente as antocianinas totais, os fenóis totais e a atividade antioxidante durante a produção de vinagre. No entanto, misturar com suco concentrado para obter vinagre balsâmico de mirtilo permitiu equilibrar essas perdas devidas ao processamento. Este trabalho mostra que a produção de vinagre balsâmico de mirtilo abre uma possibilidade interessante de reduzir perdas por descarte de frutos e, ao mesmo tempo, obter produtos de valor agregado com características saudáveis.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) The supply of oxygen as a limiting nutrient in bioreactors is a challenge, as microorganisms may have different metabolic requirements, besides the difficulty of measuring this variable in low levels. Despite the obstacles, micro-aeration has been shown to be essential for bioprocesses such as alcoholic fermentations. Therefore, using yeast catalyzed alcoholic fermentations as a case study, the objective of this thesis is to develop a control system for bioreactors based on metabolic fluxes to control the oxygen metabolic flux under micro-aeration conditions. This work involves two distinct control approaches, which used Saccharomyces cerevisiae micro-aerated cultivations as study case. The execution of the proposal was divided into four stages: (i) Obtaining of the metabolic fluxes matrices by simulations of the metabolic model iND750 and training of artificial neural networks; (ii) Conducting experiments to characterize two industrial cerevisiae strains (FT858L and FERMEL) in mini-reactors cultivations for mathematical modeling of the growth kinetics; (iii) Experimental evaluation of the control strategy with the artificial neural network incorporated; (iv) Mathematical modeling of cell growth, product formation, substrate and oxygen consumption in micro-aerated conditions, followed by operationality analysis and simulation of the control system using a biomimetic algorithm. The experiments were carried out in minimal medium (5.0g.L-1 KH2PO4, 2.0g.L-1 MgSO4.7H2O, 1.5g.L-1 of urea; 3ppm Kamoran), with hexoses as a carbon source, pH 4.5, and temperature of 30oC. In step (ii), the fermentations were carried out in mini-reactors (5 mL) equipped with a CO2 exit, in which the loss of mass due to the production of CO2 was monitored. In step (iii), following the strain selection in terms of performance, the FT858L yeast was used in batch fermentations conducted in 5 L stirred tank bioreactor with a high glucose load. Three different oxygen supply strategies were evaluated and compared: a) simple maintenance of a constant air flowrate; b) use of PID and other controllers to keep the respiratory quotient (RQ) at the desired range; c) use of a control based on metabolic fluxes with neural networks incorporated to maintain the O2 flux. The control based on neural networks was efficient in maintaining the desirable conditions of micro-aeration, leading to high yield values (0.48 gEthanol.gSubstrate-1), productivity (4.2 g.L-1.h-1) and cell viability (95%). This performance was superior to the achieved in other evaluated strategies, which presented a yield between 0.33-0.40 gEthanol.gSubstrate-1 and productivity between 3.4-3.7 g.L-1.h-1. The kinetic model incorporating substrate and ethanol inhibition and based on data generated in simple experiments in mini-reactors was able to describe the growth, product formation, and substrate consumption in conventional and micro-aerated fermentations carried out in bioreactors. The kinetic model was also used in the analysis the process operationality and in the simulations of the biomimetic control algorithm for micro-aeration. The biomimetic controller was able to maintain the O2 and CO2 fluxes at the desired set points, resulting in a productivity of 4.0 g.L-1.h-1. The results obtained demonstrate the importance of the development of precise and robust controllers for the intensification of processes whose performance is favored by micro-aeration. O fornecimento de oxigênio como nutriente limitante em biorreatores é um desafio, visto que os microrganismos podem apresentar necessidades metabólicas diferentes, somada à dificuldade de se medir esta variável em baixas concentrações. Apesar dos obstáculos, a micro-aeração tem se mostrado essencial para bioprocessos como as fermentações alcóolicas. Portanto, tendo como estudo de caso fermentações alcoólicas catalisada por leveduras, o objetivo dessa tese é desenvolver um sistema de controle para biorreatores baseados em fluxos metabólicos para controlar o fluxo metabólico de oxigênio em condição de micro-aeração. O trabalho envolveu duas abordagens distintas de controle, avaliadas em fermentações micro-aerados de Saccharomyces cerevisiae, como estudo de caso. A execução da proposta foi dividida em quatro etapas: (i) obtenção das matrizes de fluxos metabólicos por simulações do modelo metabólico iND 750 e treinamento das Redes Neurais Artificiais; (ii) realização de experimentos de caracterização de duas cepas industriais de S. cerevisiae (FT858L e FERMEL) em cultivos em mini-reatores para modelagem matemática da cinética de crescimento; (iii) avaliação experimental da estratégia de controle com a Rede Neural incorporada; (iv) modelagem matemática do crescimento celular, da formação de produto e do consumo de substrato e oxigênio em condição micro-aerada, seguida por análise de operabilidade e simulação do sistema controle baseado em algoritmo biomimético. Os experimentos foram realizados em meio mínimo (5,0 g.L-1 KH2PO4, 2,0 g.L-1 MgSO4.7H2O, 1,5 g.L-1 ureia; 3 ppm Kamoran), tendo hexoses como fonte de carbono, pH de 4,5 e temperatura de 30oC. Na etapa (ii) as fermentações foram conduzidas em mini-reatores (5 mL), dotados de saída para o CO2, com acompanhamento pela perda de massa devido à produção de CO2. Na etapa (iii), a cepa FT858L, selecionada na etapa anterior por apresentar melhor desempenho, foi utilizada nas fermentações em batelada conduzidas em biorreator tipo tanque agitado de 5 L com alta carga de glicose. Três estratégias diferentes de suprimento de oxigênio foram avaliadas e comparadas: a) manutenção de um de fluxo de ar constante; b) uso de PID e outros controladores para manter o quociente respiratório (RQ) na faixa de variação desejada; c) aplicação de controle baseado em fluxos metabólicos com incorporação de redes neurais para controlar o fluxo de O2. O controle baseado nas redes neurais foi eficiente na manutenção das condições desejadas de micro-aeração, levando à obtenção de altos valores de rendimento (0,48 gEtanol.gSubstrato-1), produtividade (4,2 g.L-1.h-1) e viabilidade celular (95%). Esse desempenho foi superior ao das outras estratégias avaliadas, que apresentaram rendimento entre 0,33-0,40 gEtanol.gSubstrato-1 e produtividade entre 3,4-3,7 g.L-1.h-1. O modelo cinético incorporando inibição por substrato e etanol, obtido a partir dos dados gerados em experimentos simples em mini-reatores, foi capaz de descrever o crescimento, a formação de produto e o consumo de substrato em fermentação convencional e micro-aerada realizadas em biorreatores. O modelo cinético foi ainda empregado na análise da operabilidade do processo e na simulação do controle da micro-aeração por algoritmo biomimético. O controlador baseado no algoritmo biomimético foi capaz de manter os fluxos de O2 e CO2 nos setpoints desejados, resultando em produtividade de 4,0 g.L-1.h-1. Os resultados obtidos demonstram a importância do desenvolvimento de controladores precisos e robustos para a intensificação de processos cujo desempenho seja favorecido pela micro-aeração. FAPESP: 2016/10.636-8 CNPq: 409366/2016-1 CAPES: código de financiamento - 001

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Alcoholic fermentation appears as a way of using this fruit, however, when conducted spontaneously, fermentation can cause damage to the product, since the different yeasts produce several secondary compounds. Therefore, in order to maximize the use of surplus pineapple production in the state of Paraíba and to stimulate the development of new products with the use of biotechnology, the present work aimed to isolate, characterize and select yeasts from the pineapple fruit microfauna produced in the state of Paraíba that have appropriate characteristics to meet the conditions employed in the artisanal process of producing a pineapple wine. The entire study was carried out at the Agroindustrial Complex located on Campus II of the State University of Paraíba, in the municipality of Lagoa Seca, Paraíba. The pineapple fruits obtained at CEASA in Campina Grande were sanitized and processed and the fruit extract was reserved for 24 hours. The pineapple extract was then diluted and inoculated in Petri dishes, which were incubated for 48 hours in a microbiological oven. The colonies that developed in isolation were collected and transferred to test tubes with an inclined culture medium to be subjected to selection tests. The isolates underwent glucose fermentation tests, ethanol tolerance, hydrogen sulfide production, high temperature resistance and high glucose concentration (50%). In the study, 120 colonies were isolated, and after all exclusion tests were carried out, only one of the strains had all the desired properties for the fermentation process. The LA29 strain was able to ferment glucose as well as being tolerant to high concentrations of it, as well as ethanol with good development in the middle of 18% alcohol content, did not show hydrogen sulfide production and developed well at high temperatures, even when exposed to conditions of the fermentation process, it proved to be efficient and effective in the production of pineapple wine. Resumo: O estado da Paraíba é destaque nacional na produção e qualidade do fruto de abacaxi. No entanto as perdas de produção ocorridas em todas as etapas até a comercialização são elevadas. A fermentação alcoólica surge como uma forma de aproveitamento deste fruto, no entanto, quando conduzida de forma espontânea, a fermentação pode acarretar prejuízos para o produto, uma vez que as diferentes leveduras produzem vários compostos secundários. Portanto, com o intuito de maximizar o aproveitamento da produção excedente de abacaxi no estado da Paraíba e estimular o desenvolvimento de novos produtos com o uso da biotecnologia no presente trabalho objetivou-se isolar, caracterizar e selecionar leveduras provenientes da microfauna do fruto do abacaxi produzidos no estado da Paraíba que possuam características apropriadas para atender às condições empregadas no processo artesanal de produção de um vinho de abacaxi. Todo o estudo foi realizado no Complexo Agroindustrial localizado no Campus II da Universidade Estadual da Paraíba, no município de Lagoa Seca, Paraíba. Os frutos de abacaxi obtidos na CEASA em campina grande foram sanitizados e processados e o extrato do fruto foi reservado por 24 horas. O extrato de abacaxi foi então diluído e inoculado em placas de Petri, as quais foram incubadas por 48 horas em estufa microbiológica. As colônias que se desenvolveram isoladas foram coletadas e transferidas para tubos de ensaios com meio de cultura inclinado para serem submetidas aos testes de seleção. Os isolados passaram pelos testes de fermentação de glicose, de tolerância a etanol, de produção de sulfeto de hidrogênio, de resistência a alta temperatura e elevada concentração de glicose (50%). No estudo foram isoladas 120 colônias, e após realização de todos os testes de exclusão apenas uma das cepas apresentou todas as propriedades desejadas para o processo fermentativo. A cepa LA29 foi capaz de fermentar glicose bem como se mostrou tolerante às altas concentrações desta, bem como de etanol com bom desenvolvimento em meio a 18% de teor alcoólico, não apresentou produção de sulfeto de hidrogênio e se desenvolveu bem em altas temperaturas, a mesma quando exposta a condições do processo fermentativo mostrou-se eficiente e eficaz na produção de vinho de abacaxi.

Orientador: Gustavo Paim Valença Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: A utilização de sistemas empregando células de levedura imobilizadas é uma técnica promissora para a produção de etanol. Este trabalho apresenta a proposta de imobilizar células de Saccharomyces cerevisiae em montmorilonita K10, em óxido de zircônio, em esferas de alginato de cálcio e em esferas de alginato de cálcio revestidas com quitosana, utilizando glicose e sacarose como fontes de carbono, a fim de observar o comportamento destas células nestes suportes. Estudos nesta área têm demonstrado que células imobilizadas apresentam maior resistência a variações de temperatura, atividade, concentração de substratos e metabólitos, além de um alto rendimento para fermentação alcoólica. A montmorilonita K10, o alginato de sódio e a quitosana que foram utilizados nos estudos tiveram origem comercial, enquanto que o óxido de zircônio foi sintetizado e caracterizado através de Difração de Raios-X (DRX) e área superficial B.E.T. (Brunauer, Emmet e Teller). Células de Saccharomyces cerevisiae liofilizada não aderiram aos suportes sólidos (montmorilonita K10, óxido de zircônio e óxido de zircônio com superfície modificada). Já a cepa JAY 270 de Saccharomyces cerevisiae foi imobilizada com sucesso em esferas de alginato de cálcio e em esferas de alginato de cálcio revestidas com quitosana. Estudos de fermentação em regime batelada foram conduzidos em shaker orbital para avaliação da produção de etanol, estabilidade, rendimento, taxa de consumo de substratos e taxa de produção de produto. O comportamento destes sistemas foi avaliado através de dados de concentração de substrato e produto em equipamento de HPLC (High-Performance Liquid Chromatograph). A imobilização celular em esferas de alginato de cálcio e em esferas de alginato de cálcio revestidas com quitosana permitiu a reutilização das esferas durante oito ciclos de fermentação de aproximadamente 10 horas cada. A produção de etanol para células livres foi 40 g/L e o rendimento foi de 78% e 74,3% utilizando a glicose e a sacarose como fontes de carbono, respectivamente. Para as células imobilizadas em esferas de alginato de cálcio, utilizando a glicose como fonte de carbono, a produção de etanol foi de 33 g/L e o rendimento foi de 64,6 %, utilizando a sacarose, a produção de etanol foi de 33 g/L e o rendimento foi de 61,3%. Para as células imobilizadas em esferas de alginato de cálcio revestidas com quitosana, utilizando a glicose como fonte de carbono, a produção de etanol foi de 31 g/L e o rendimento foi de 60,7 % e utilizando a sacarose, a produção de etanol foi de 32 g/L e o rendimento foi de 59,5% Abstract: The use of immobilized yeast cells in supports systems is a promising technique for the ethanol production. This work proposes to immobilize Saccharomyces cerevisiae cells in montmorillonite K10, zirconium oxide, calcium alginate beads and chitosan covered calcium alginate beads, using glucose and sucrose as carbon sources, in order to observe the behavior of these cells in these media. Studies in this area have demonstrated that immobilized cells are more resistant to temperature, activity, concentration of substrates and metabolites, and a high yield for ethanol fermentation. The montmorillonite K10, sodium alginate and chitosan have been used in the studies had commercial origin, while the zirconium oxide was synthesized and characterized by X-ray Diffraction (XRD) and B.E.T. surface area (Brunauer, Emmet and Teller). Liofilized Saccharomyces cerevisiae did not adhere to solid supports (K10 montmorillonite, zirconium oxide and modified surface zirconium oxide). Since the strain of Saccharomyces cerevisiae, JAY 270, was successfully immobilized in calcium alginate beads and in chitosan covered calcium alginate beads. Studies under batch fermentation were conducted in orbital shaker for evaluation of ethanol production, stability, efficiency, substrate consumption rate and the product production rate. The behavior of these systems was assessed using concentration data of substrate and product in the HPLC equipment (High-performance liquid chromatography). The cell immobilization in calcium alginate beads and chitosan covered calcium alginate beads allowed reusing of the beads during fermentation of eight cycles every 10 hours. The production of ethanol to free cells was 40 g/L and 78% and 74.3% yield using the glucose and sucrose as carbon sources, respectively. For immobilized cells in calcium alginate beads, ethanol production was 33 g/L and 64.6% yield and 33 g/L and 61.3% yield, using glucose and sucrose, respectively. For immobilized cells in chitosan covered calcium alginate beads, ethanol production was 31 g/L and 60.7% yield and 32 g/L and 59.5% yield, using glucose and sucrose, respectively Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Este trabalho é referente ao estágio curricular no âmbito do mestrado em Engenharia Alimentar, da Escola Superior Agrária de Coimbra (ESAC), que decorreu na empresa Praxis - Cervejas de Coimbra, Lda. Este relatório apresenta todo o acompanhamento do processo produtivo de cerveja artesanal Praxis e o desenvolvimento de cerveja com medronho. O principal objetivo passa por acompanhar o processo produtivo de cerveja artesanal desde a seleção da matéria-prima até à sua expedição, passando por diversas etapas, imprescindíveis ao fabrico de cerveja. Para o desenvolvimento de cerveja com adição de medronho foram realizados quatro ensaios (A, B, C e D), que se diferenciam no processo de tratamento dos medronhos antes da sua adição à cerveja, em diferentes fases do processo de fabrico. Das cervejas desenvolvidas nos quatro ensaios, três delas apresentaram contaminações microbiológicas que inviabilizaram a obtenção de um produto final aceitável. O ensaio D foi realizado com sucesso, tendo-se obtido uma cerveja distinta, de cor levemente dourada e com um ligeiro sabor e aroma a medronhos. This work is related to the curricular internship in the context of the master's degree in Food Engineering, from the “Escola Superior Agrária de Coimbra” (ESAC), which took place at the company “Praxis - Cervejas de Coimbra”. This work presents the entire monitoring of the production process of Praxis craft beer and the development of arbutus beer. The main objective is to monitor the production process of craft beer from the selection of the raw material to its dispatch, going through several stages, essential to the manufacture of beer. For the development of beer with the addition of arbutus fruits, four essays were carried out (A, B, C and D), which differ in the process of treatment of arbutus fruits before its addition to beer, in different stages of the manufacturing process. Of the beers developed in the four trials, three of them showed microbiological contamination that made it impossible to obtain an acceptable final product. Essay D was carried out successfully, resulting in a distinct beer, slightly golden in colour and with a slight flavour and aroma of arbutus fruits.