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http://hdl.handle.net/11422/28895
| Type: | Dissertação |
| Title: | Produção de etanol a partir do hidrolisado de milho extrudado: comparação entre as cepas cat-1 e ethanol red de Saccharomyces cerevisiae |
| Author(s)/Inventor(s): | Monteiro Junior, Willian Bastos |
| Advisor: | Leitao, Viridiana Santana Ferreira |
| Co-advisor: | Guimarães, Carolina Reis |
| Co-advisor: | Teixeira, Ricardo Sposina Sobral |
| Abstract: | A crescente demanda por fontes renováveis tem impulsionado a produção de etanol e consolidado o Brasil entre os principais produtores mundiais. Embora a canade- açúcar seja a base do setor sucroenergético, o milho tem ganhado espaço como matéria-prima complementar, especialmente no Centro-Oeste, devido à ampla oferta da segunda safra e à facilidade de armazenamento. O elevado teor de amido desse grão favorece sua conversão enzimática em glicose e maltose, processo que pode ser intensificado por pré-tratamentos como a extrusão a seco. Nesse contexto, cresce o interesse por processos fermentativos em condições de very high gravity (VHG), que operam com concentrações acima de 250 g/L de glicose. Essas condições aumentam a produtividade e a concentração final de etanol, mas geram forte estresse osmótico nas leveduras, exigindo cepas robustas. Diante desse cenário, o presente trabalho teve como objetivo compreender o comportamento fermentativo das cepas industriais Saccharomyces cerevisiae CAT-1 e Ethanol Red e propor um processo alternativo para a produção de etanol a partir de milho extrudado, sem suplementação nutricional adicional. Para isso, o estudo foi estruturado em etapas sequenciais, iniciando com ensaios preliminares de fermentação e avançando até a aplicação de hidrolisados sob alta carga de sólidos. Primeiramente, foram conduzidos ensaios cinéticos em meio sintético YPD (extrato de levedura, peptona e dextrose. Em ingles: Yeast extract, peptone and dextrose) contendo diferentes concentrações de glicose (150, 200, 295 e 320 g/L), inoculados com 1 g/L de células, para avaliar o desempenho das cepas nas condições de normal gravity (NG), high gravity (HG) e VHG. Observou-se que a Ethanol Red apresentou maior osmotolerância, atingindo maiores concentrações de etanol em meios VHG quando comparada à CAT-1, estabelecendo uma base para os experimentos subsequentes. Durante a caracterização do hidrolisado enzimático de milho extrudado, detectou-se a presença de maltose, indicando hidrólise incompleta do amido. Assim, foram realizados ensaios complementares em meio sintético contendo misturas de glicose e maltose (150 g/L de açúcares totais) a fim de avaliar a capacidade das cepas de fermentar ambos os carboidratos. Constatou-se que a CAT-1 conseguiu assimilar maltose, embora com menor eficiência que a Ethanol Red. Entretanto, a presença desse açúcar reduziu a produção de etanol nas duas cepas. Com esses resultados, procedeu-se à avaliação de hidrolisados enzimáticos obtidos com diferentes meios de hidrólise (tampão citrato, tampão fosfato e água acidificada). Os hidrolisados diluídos (~250 g/L) foram fermentados por ambas as cepas para investigar a influência do meio no desempenho fermentativo das cepas. Os melhores resultados foram obtidos com hidrolisados tamponados com citrato e fosfato, ainda que as concentrações de etanol permanecessem abaixo do esperado. Considerando o objetivo de maximizar rendimento e produtividade sem suplementação, avaliou-se o efeito do aumento da concentração celular inicial (30 e 50 g/L) nos hidrolisados diluídos. Os melhores resultados ocorreram com 30 g/L de inóculo em xarope tamponado com citrato, produzindo 120 g/L (CAT-1) e 117 g/L (Ethanol Red). Em xarope não diluído (~320 g/L) e com 50 g/L de inóculo, obtiveram-se 129 g/L (CAT-1, rendimento 0,31 g/g) e 99 g/L (Ethanol Red, rendimento 0,26 g/g). Em escala ampliada em reatores de 2 L, as produções foram de 110 g/L (CAT-1) e 84 g/L (Ethanol Red), com eficiências de 68,5% e 54,3%, respectivamente. Apesar dos avanços e da comprovação da viabilidade da fermentação VHG em hidrolisados de milho extrudado, a eficiência global permaneceu abaixo do patamar industrialmente desejável (≥80%), indicando a necessidade de otimizações adicionais. |
| Abstract: | The growing demand for renewable sources has driven ethanol production and consolidated Brazil among the world’s leading producers. Although sugarcane remains the foundation of the sugar-energy sector, corn has gained prominence as a complementary feedstock, especially in the Midwest, due to the wide availability of the second harvest and its ease of storage. The high starch content of this grain favors its enzymatic conversion into glucose and maltose, a process that can be intensified by pretreatments such as dry extrusion. In this context, there is increasing interest in fermentation processes under very high gravity (VHG) conditions, which operate with concentrations above 250 g/L of glucose. These conditions increase productivity and final ethanol concentration but impose intense osmotic stress on yeast, requiring robust strains. Given this scenario, the present study aimed to understand the fermentative behavior of the industrial strains Saccharomyces cerevisiae CAT-1 and Ethanol Red and to propose an alternative process for ethanol production from extruded corn without additional nutritional supplementation. To this end, the study was structured in sequential stages, beginning with preliminary fermentation assays and advancing to the application of real hydrolysates under high-solids conditions. Initially, kinetic assays were conducted in synthetic YPD medium containing different glucose concentrations (150, 200, 295, and 320 g/L), inoculated with 1 g/L of cells, to assess strain performance under normal gravity (NG), high gravity (HG), and VHG conditions. Ethanol Red demonstrated greater osmotolerance, reaching higher ethanol concentrations in VHG media compared to CAT-1, establishing a basis for subsequent experiments. During characterization of the enzymatic hydrolysate from extruded corn, maltose was detected, indicating incomplete starch hydrolysis. Therefore, complementary assays were performed in synthetic media containing mixtures of glucose and maltose (150 g/L total sugars) to evaluate the strains’ ability to ferment both carbohydrates. CAT-1 was able to assimilate maltose, although less efficiently than Ethanol Red. However, the presence of this disaccharide reduced ethanol production in both strains. Based on these results, hydrolysates produced using different hydrolysis media (citrate buffer, phosphate buffer, and acidified water) were evaluated. Diluted hydrolysates (~250 g/L) were fermented by both strains to investigate the influence of the hydrolysis medium on fermentative performance. The best results were obtained with citrate and phosphate buffered hydrolysates, although ethanol concentrations remained below expectations. Considering the objective of maximizing yield and productivity without supplementation, the effect of increasing initial cell concentration (30 and 50 g/L) was evaluated in diluted hydrolysates. The best results occurred with 30 g/L inoculum in citrate-buffered syrup, producing 120 g/L (CAT-1) and 117 g/L (Ethanol Red). In undiluted syrup (~320 g/L) with 50 g/L inoculum, ethanol concentrations of 129 g/L (CAT-1, yield 0.31 g/g) and 99 g/L (Ethanol Red, yield 0.26 g/g) were obtained. At larger scale in 2-L bioreactors, ethanol concentrations reached 110 g/L (CAT-1) and 84 g/L (Ethanol Red), with efficiencies of 68.5% and 54.3%, respectively. Despite these advances and the demonstrated feasibility of VHG fermentation using extruded-corn hydrolysates, overall efficiency remained below the industrially desirable threshold (≥80%), indicating the need for further optimization. |
| Keywords: | Very High Gravity (VHG) Etanol Saccharomyces cerevisiae Hidrolisado de milho Extrusão a seco |
| Subject CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA |
| Program: | Programa de Pós-Graduação em Bioquímica |
| Production unit: | Instituto de Química |
| Publisher: | Universidade Federal do Rio de Janeiro |
| Issue Date: | 8-Dec-2025 |
| Publisher country: | Brasil |
| Language: | por |
| Right access: | Acesso Aberto |
| Citation: | MONTEIRO JUNIOR, Willian Bastos. Produção de etanol a partir do hidrolisado de milho extrudado: comparação entre as cepas cat-1 e ethanol red de saccharomyces cerevisiae. 2025. 133 f. Dissertação (Mestrado em Bioquímica) - Curso Instituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2025. |
| Appears in Collections: | Bioquímica |
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