Mathematical modeling of a continuous alcoholic fermentation process in a two-stage tower reactor cascade with flocculating yeast recycle

Experiments of continuous alcoholic fermentation of sugarcane juice with flocculating yeast recycle were conducted in a system of two 0.22-L tower bioreactors in series, operated at a range of dilution rates (D (1) = D (2) = 0.27-0.95 h(-1)), constant recycle ratio (alpha = F (R) /F = 4.0) and a sugar concentration in the feed stream (S (0)) around 150 g/L. The data obtained in these experimental conditions were used to adjust the parameters of a mathematical model previously developed for the single-stage process. This model considers each of the tower bioreactors as a perfectly mixed continuous reactor and the kinetics of cell growth and product formation takes into account the limitation by substrate and the inhibition by ethanol and biomass, as well as the substrate consumption for cellular maintenance. The model predictions agreed satisfactorily with the measurements taken in both stages of the cascade. The major differences with respect to the kinetic parameters previously estimated for a single-stage system were observed for the maximum specific growth rate, for the inhibition constants of cell growth and for the specific rate of substrate consumption for cell maintenance. Mathematical models were validated and used to simulate alternative operating conditions as well as to analyze the performance of the two-stage process against that of the single-stage process.

Reflexos da clarificação do caldo de cana com moringa sobre compostos inorgânicos do açúcar VHP

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Emprego do extrato de Moringa (Moringa oleífera Lamarck) na clarificação do caldo de cana para produção de açúcar e etanol

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Yeast CA-11 fermentation in musts treated with brown and green propolis

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Método simples para quantificar o metabolismo aeróbio e aneróbio de levedura alcoólica

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Determinação do teor de glicose em bagaço de cana-de-açúcar hidrolizado pelo processo de conversão enzimática

The production of ethanol and sugar from sugarcane juice generate as byproduct, the bagasse. Currently, the bagasse, an industrial lignocellulosic biomass, can be used for production of second-generation ethanol, since when it is submitted to hydrolytic processes generates fermentable sugars. The objective of this study was to produce fungal enzymes capable of hydrolyzing this lignocellulosic biomass to generate glucose. For this, we used the mushroom species Lentinula edodes, Pleurotus ostreatus, Pleurotus eryngii, and Pycnoporus sanguineus as potential sources of laccase, manganese peroxidase and lignin peroxidase enzymes, capable of hydrolyzing the crushed sugarcane. The hydrolysis process was performed with the highest enzymatic activities observed from laccase in L. edodes (39.23 U-mL after 25 day incubation), P. ostreatus (2.5 U U-mL after 27 day incubation), P. sanguineus (80 U-mL after 27 days of incubation) and P. eryngii (16.45 U-mL 15 days incubation). MnP and LiP showed no significant results. The enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse in natura (32,17% hemicellulose, cellulose 52,45% and 10,62% lignin) and bagasse hydrolyzate with 7,0% H2SO4 (0,20% hemicellulose, 68,82% to 25,33% cellulose and lignin) were evaluated for each enzymatic obtained. Compared to others, the enzymes produced by P. sanguineus incubated in sugarcane bagasse showed better efficiency resulting in glucose with an average content of 0,14 g-L. Although the levels of glucose determined in this work were low in relation to the literature, it can be stated that the laccase, manganese peroxidase and lignin peroxidase enzymes demonstrated good hydrolytic potential, especially those produced by the fungus P. sanguineus.

Tratamento de caldo e tipos de fermentos sobre os componentes secundários e qualidade da cachaça de alambique

Pós-graduação em Microbiologia Agropecuária - FCAV

Qualidade da cachaça em função do tratamento do caldo e tipo de fermento

Pós-graduação em Microbiologia Agropecuária - FCAV

Avaliação da contaminação conjunta de Dekkera bruxellensis e Lactobacillus fermentum sobre a fermentação alcoólica: efeito do substrato e formas de controle

As contaminações por leveduras selvagens e por bactérias no processo de produção de etanol combustível no Brasil causam prejuízos ao rendimento fermentativo e aumento de custos pelo uso de biocidas. No entanto, poucos estudos tem focado no efeito das contaminações conjuntas de leveduras selvagens e bactérias e as possíveis interações entre os micro-organismos, especialmente em função dos diferentes substratos de fermentação e das formas de controle. Este trabalho teve por objetivos verificar o efeito do substrato (caldo de cana e melaço) sobre o desenvolvimento das contaminações pela levedura da espécie Dekkera bruxellensis e pela bactéria Lactobacillus fermentum, em co-culturas com Saccharomyces cerevisiae (linhagem industrial PE-2) e possíveis formas de controle do crescimento dos contaminantes (pelo uso de metabissulfito de potássio e adição de etanol ao tratamento ácido) sem afetar a levedura do processo. Os testes foram realizados em condições de crescimento (substrato com 4 °Brix, culturas agitadas) e fermentação com reciclo celular (substrato com 16 °Brix, culturas estáticas). Houve interação entre as leveduras e a bactéria quando crescidas em caldo de cana 4 °Brix. A levedura industrial não foi afetada pela presença dos micro-organismos contaminantes, no entanto, para D. bruxellensis a presença de L. fermentum interferiu positivamente no crescimento, com aumento no número de UFC, e consequentemente inibição do crescimento da bactéria. Em melaço, houve um estímulo ao crescimento de L. fermentum quando em co-cultura com S. cerevisiae. Houve influência das contaminações sobre os parâmetros avaliados no experimento (pH, açúcar redutor total, etanol, glicerol e crescimento das células) e a contaminação conjunta de L. fermentum e D. bruxellensis potencializou o efeito das contaminações pelos micro-organismos isoladamente, tanto em caldo quanto em melaço. A adição de 13% de etanol à solução de ácido sulfúrico pH 2,0 no tratamento celular resultou em uma diminuição significativa no número de UFC de D. bruxellensis (entre 90-99%). A levedura PE-2 foi pouco afetada pelo tratamento proposto. A bactéria L. fermentum teve seu crescimento afetado em todas as combinações testadas. Como os experimentos foram feitos em co-culturas, verificouse que pode haver influência de um micro-organismo sobre a viabilidade do outro, dependendo da reação ao tratamento ácido-etanol. O metabissulfito de potássio (MBP), no intervalo entre 200-400 mg/L, foi eficaz para controlar o crescimento de D. bruxellensis dependendo do meio de cultura e linhagem. Quando adicionado (250 mg/L) à solução ácida (pH 2,0) no tratamento celular, um efeito significativo foi observado nas culturas mistas, pois ocorreu a inativação do SO2 pela S. cerevisiae e uma provável proteção das células de D. bruxellensis, não sendo essa levedura prejudicada pelo MBP. A resposta fisiológica de S. cerevisiae na presença de MBP pode explicar a diminuição significativa na produção de etanol. Quando o MBP foi adicionado ao meio de fermentação, resultou no controle da D. bruxellensis mas não em sua morte, com efeito menos intensivo sobre a eficiência fermentativa. Em cocultura com a adição de MBP, a eficiência fermentativa foi significativamente menor do que na ausência de MBP.

Efeito do substrato e das condições de tratamento do fermento sobre a fermentação etanólica contaminada com leveduras Saccharomyces cerevisiae selvagens e Lactobacillus fermentum

Pouco se sabe sobre o efeito do substrato e a interação entre as leveduras selvagens e bactérias do gênero Lactobacillus na fermentação alcoólica, pois os estudos tem se concentrado na avaliação dos efeitos da contaminação por um ou outro contaminante separadamente. Diante disso, este trabalho teve como objetivos estudar o efeito do substrato e das condições de tratamento do fermento sobre as fermentações contaminadas com ambos os micro-organismos, leveduras S. cerevisiae selvagens (três linhagens apresentando colônias rugosas e células dispostas em pseudohifas) e Lactobacillus fermentum, tendo a linhagem industrial de S. cerevisiae PE-2 como levedura do processo. Foram realizadas fermentações em batelada em mosto de caldo e de melaço, sem reciclo e com reciclo celular, utilizando tanto a cultura pura da linhagem PE-2 quanto as culturas mistas com as linhagens rugosas e ou L. fermentum. Foram avaliadas modificações no tratamento ácido do fermento, visando o controle do crescimento dos contaminantes sem afetar a levedura do processo. Em seguida, foram conduzidas fermentações contaminadas e não contaminadas submetidas ao tratamento ácido combinado com adição de etanol, tanto em caldo quanto em melaço, utilizando-se PE-2, uma das linhagens rugosas e L. fermentum. A atividade da invertase extracelular foi também avaliada em ambos os substratos para os micro-organismos estudados, em condições de crescimento. Concluiu-se que o tipo de substrato de fermentação, caldo de cana ou melaço, influenciou o desempenho da linhagem industrial PE-2 assim como afetou o desenvolvimento das contaminações com as leveduras rugosas S. cerevisiae na presença ou ausência da bactéria L. fermentum, em fermentações sem reciclo celular. O efeito da contaminação foi mais evidente quando se utilizou caldo de cana do que melaço como substrato, no caso da contaminação com leveduras rugosas, e o inverso no caso da contaminação com L. fermentum. O efeito da contaminação sobre a eficiência fermentativa foi maior na presença da levedura rugosa do que com a bactéria, e a contaminação dupla (tanto com a levedura rugosa quanto com a bactéria) não teve efeito maior sobre a eficiência fermentativa do que a contaminação simples, por um ou por outro micro-organismo isoladamente, especialmente na fermentação em batelada com reciclo celular, independentemente do substrato. Nas fermentações com reciclo de células, o efeito do substrato foi menos evidente. O controle do crescimento das linhagens rugosas pode ser realizado modificando o tratamento ácido normalmente realizado na indústria, seja pela adição de etanol à solução ácida ou pelo abaixamento do pH, dependendo da linhagem rugosa. O tratamento combinado baixo pH (2,0) + 13% etanol afetou a fisiologia da linhagem industrial, trazendo prejuízos à fermentação com reciclo celular, com pequeno controle sobre o crescimento da levedura rugosa e causando morte celular à L. fermentum. A diferença na atividade invertásica entre as linhagens rugosas e industrial de S. cerevisiae pode ser a responsável pela fermentação lenta apresentada pelas linhagens rugosas quando presentes na fermentação, sendo não significativa a influência do substrato sobre a atividade dessa enzima.

Utilization of pineapple stem juice to enhance enzyme-hydrolytic efficiency for sugarcane bagasse after an optimized pre-treatment with alkaline peroxide

The enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse was investigated by treating a peroxide-alkaline bagasse with a pineapple stem juice, xylanase and cellulase. Pre-treatment procedures of sugarcane bagasse with alkaline hydrogen peroxide were evaluated and compared. Analyses were performed using 2(4) factorial designs, with pre-treatment time, temperature, magnesium sulfate and hydrogen peroxide concentration as factors. The responses evaluated were the yield of cellobiose and glucose released from pretreated bagasse after enzymatic hydrolysis. The results show that the highest enzymatic conversion was obtained for bagasse using 2% hydrogen peroxide at 60 degrees C for 16 h in the presence of 0.5% magnesium sulfate. Bagasse (5%) was treated with pineapple stem extract, which contains mixtures of protease and esterase, in combination with xylanase and cellulase. It was observed that the amount of glucose and cellobiose released from bagasse increased with the mixture of enzymes. It is believed that the enzymes present in pineapple extracts are capable of hydrolyze specific linkages that would facilitate the action of digesting plant cell walls enzymes. This increases the amount of glucose and other hexoses that are released during the enzymatic treatment and also reduces the amount of cellulase necessary in a typical hydrolysis. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Evaluation of the acidity in the juice from different parts of the stem of sugarcane, cycle 2010/2011

The acidity levels present in the juice of sugarcane can cause problems in its processing. This study aimed to compare the values of total, volatile and fixed acidity in the juice of the stem nodes and internodes of sugarcane. The experimental design was a completely randomized, 3x2 factorial arrangement with four replications, using three varieties of sugarcane (IAC91-1099; ISC95 and CTC7-5000) divided into node and internode. The stems were collected and separated in node and internode. After extraction of juice from each part, total, volatile and fix acidities were determined. The results were subjected to variance analysis the by F test and compared by the Tukey test at 5% probability. The cultivar CTC7 had the lowest levels of total and fixed acidity. Cultivar IAC91-1099 showed high levels of fixed acidity on both parts of the stem, and high volatile acidity at the node. In the stem, the values of volatile acidity showed no definite pattern between cultivars. The node has, in general, a higher fixed acidity, but some cultivars have shown opposite results.

Quality of sugarcane in productive process of ethanol evaluated by INAA

Soil as an impurity in sugarcane is a serious problem for the ethanol industry, increasing production and maintenance costs and reducing the productivity. Fe, Hf, Sc and Th determined by INAA were used as tracers to assess the amount of soil in sugarcane from truckloads as well as in the juice extraction process. Quality control tools were applied to results identifying the need for stratification according to soil type and moisture. Soil levels of truckloads had high variability indicating potential for improving cut and loading operations. Samples from the juice extraction process allowed tracking the soil in the mill tandem.

Carbon and nitrogen cycling in a tropical Brazilian soil cropped with sugarcane and irrigated with wastewater

Carbon (C) and nitrogen (N) dynamics in agro-systems can be altered as a consequence of treated sewage effluent (TSE) irrigation. The present study evaluated the effects of TSE irrigation over 16 months on N concentrations in sugarcane (leaves, stalks and juice), total soil carbon (TC), total soil nitrogen (TN), NO(3)(-)-N in soil and nitrate (NO(3)(-)) and dissolved organic carbon (DOC) in soil solution. The soil was classified as an Oxisol and samplings were carried out during the first productive crop cycle, from February 2005 (before planting) to September 2006 (after sugarcane harvest and 16 months of TSE irrigation). The experiment was arranged in a complete block design with five treatments and four replicates. Irrigated plots received 50% of the recommended mineral N fertilization and 100% (T100), 125% (T125), 150% (T150) and 200% (T200) of crop water demand. No mineral N and irrigation were applied to the control plots. TSE irrigation enhanced sugarcane yield but resulted in total-N inputs(804-1622 kg N ha(-1)) greater than exported N (463-597 kg N ha(-1)). Hence, throughout the irrigation period, high NO(3)(-) concentrations (up to 388 mg L(-1) at T200) and DOC (up to 142 mg L(-1) at T100) were measured in soil solution below the root zone, indicating the potential of groundwater contamination. TSE irrigation did not change soil TC and TN. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Phenolic composition and antioxidant activity of culms and sugarcane (Saccharum officinarum L.) products

The present work reports amounts of flavonoids and phenylpropanoids of culms of three sugarcane varieties and of raw juice, syrup, molasse and VHP sugar. The antioxidant activity of those materials was evaluated by the DPPH and beta-carotene/linoleic acid methods. The predominant phenolics in culms were phenylpropanoids (caffeic, chlorogenic and coumaric acids), while flavones (apigenin, tricin and luteolin derivatives) appeared in lower amounts. Differences were noted either among phenolic profiles of sugarcane culms or between culms and sugarcane products. The antioxidant activities of solutions from most samples were similar or higher than a 80 mu M Trolox solution. (C) 2010 Elsevier Ltd All rights reserved.