Raman spectroscopy and chemometrics for on-line monitoring of glucose fermentation by Saccharomyces cerevisiae

Orientador: Ronei Jesus PoppiDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de QuímicaResumo: Este trabalho visou o uso de Espectroscopia Raman e de Quimiometria para monitoramento e controle da fermentação de glicose por Saccharomyces cerevisiae. Na primeira etapa, foi utilizada calibração multivariada baseada no método dos Mínimos Quadrados Parciais (PLS) para quantificação de glicose, etanol, glicerol, ácido acético e células. Os modelos foram desenvolvidos baseados nos valores de concentração obtidos pelos métodos de referência, cromatografia líquida de alta eficiência ¿ HPLC e espectrofotometria UV/Vis. Tanto na etapa de calibração quanto na de validação, a otimização foi realizada com eliminação de amostras anômalas, baseada nos valores de leverage, resíduos e escores. Na segunda etapa, cartas de controle multivariadas foram usadas para identificação de falhas em bateladas durante o processo de fermentação. Foram construídos modelos MPCA (Análise de Componentes Principais Multimodo) a partir de bateladas NOC (Condições Normais de Operação). As cartas de controle multivariadas foram aplicadas em dois modos de desdobramento dos dados obtidos durante o monitoramento, um preservando a direção das bateladas e outro a direção do tempo. As falhas estudadas foram temperatura, mudança no substrato e contaminação do sistema. No modo de desdobramento por bateladas, a carta de controle Q foi eficiente para detecção das falhas estudas, fato comprovado pela classificação correta de três bateladas NOC como dentro de controle. No entanto, a carta de controle T2 não foi capaz de identificar as falhas estudadas corretamente como fora de controle. O modo de desdobramento pelo tempo também apresentou classificações corretas das falhas estudadasAbstract: This work aims the use of Raman Spectroscopy and Chemometrics in the monitoring and control in the fermentation of the glucose by Saccharomyces cerevisiae. In the first step, it was applied the multivariate calibration based on Partial Least Squares (PLS) for the quantification of glucose, ethanol, glycerol, acetic acid and cells. The developed of calibration models was performed against the concentration values obtained by the reference methods, High Performance Liquid Chromatography and UV/Vis spectrophotometer. The optimization of the calibration and validation steps, the elimination of outliers was performed based on the values of leverage, residues and scores. In the second step, multivariate control charts were used for identification of batch-fault during the fermentation process. Multi-way Principal Component Analysis (MPCA) models were developed from batch NOC (Normal Operation Conditions). The multivariate control charts were based on two modes of unfolding the multi-way data, obtained during monitoring, one preserving the direction of the batch and another the direction of time. The fault studied were temperature, changes in the substrate and contamination of the system. In unfolding batch mode, the chart Q was effective for detection of the faults studied, proven by the correctly classification of 3 NOC batches as in control. However, the chart T2 failed to identify faults studied. The unfolding in time mode, also presented correct classifications of the faults studiedMestradoQuimica AnaliticaMestre em Químic