Physiology and mathematical modelling of immobilised saccharomyces spp. in brewing.

Há uma crescente demanda quanto à redução das operações unitárias empregadas na fermentação alcoólica para produção industrial de bebidas, e um crescente interesse na fisiologia das leveduras atuantes nesse processo. Nesse contexto, a imobilização celular é uma alternativa interessante, uma vez que reduz o número de etapas de separação da biomassa a partir do caldo fermentado. Há a necessidade de estudar os efeitos fisiológicos causados pela imobilização sobre as células empregadas na fermentação alcoólica de cerveja, para que os mecanismos que regem estas alterações possam ser investigados em mais detalhes e, eventualmente, totalmente compreendidos. Assim, este projeto teve como principal objetivo o estudo da fisiologia de três linhagens de leveduras cervejeiras (SY025, SY067 e SY001) imobilizadas em um suporte poroso à base de celulose. Definiu-se a metodologia de imobilização como do tipo aprisionamento, em uma estrutura porosa por meio da colonização da biomassa nas paredes internas do suporte, juntamente com formação in situ de um gel de alginato de cálcio em seu interior, seguido por uma segunda etapa de gelificação, externa à matriz. Foram conduzidas fermentações em batelada em xarope de malte 12 °P com as três linhagens na forma livre e imobilizada, para comparação dos parâmetros cinéticos das duas condições de processo. Foi realizada a modelagem matemática das cinéticas de fermentação, utilizando-se os dados experimentais para a estimação dos parâmetros fisiológicos nas condições estudadas. Um modelo matemático de reação-difusão também foi utilizado para estimar o gradiente de concentração de substrato total no interior do suporte de imobilização, de forma a melhorar a compreensão da influência exercida pelo microambiente de imobilização na fisiologia do fermento. Fermentações com variação de concentração inicial de substrato e biomassa foram conduzidas, visando o levantamento de modelos estatísticos para análise da influência destas variáveis na formação de compostos de flavour. Comparadas às livres, as células imobilizadas apresentaram maior produção de glicerol (SY025 - 40 %; SY067 - 53 %; e SY001 - 19 %) e biomassa total no sistema (SY025 - 67 %; SY067 - 78 %; e SY001 - 56 %). A conversão de substrato para etanol foi maior nas leveduras livres do que nas imobilizadas (SY025 - 9 %; SY067 - 9 %; e SY001 - 13 %), o que indica que de alguma forma o suporte utilizado estimula o crescimento microbiano. Houve também alterações fisiológicas na formação de compostos de flavour nas leveduras imobilizadas. Além disso, a velocidade específica máxima de crescimento celular (?máx) foi aumentada nas leveduras SY025 imobilizadas (0,73 h-1 ) em comparação às livres (0,13 h-1). O mesmo ocorreu com a cepa SY001, em que os valores de µmáx foram de 0,08 h-1 e 0,47 h-1 para as livres e imobilizadas, respectivamente. Houve redução de µmáx no caso da imobilização de SY067 (0,14 h-1 livres e 0,093 h-1 imobilizadas). Estima-se que houve a formação de um gradiente de concentração de substrato no interior do suporte. Ainda assim, os valores estimados do fator de efetividade (?) da matriz de imobilização indicam que o processo não é impactado severamente por limitações na transferência de massa. Isto foi verificado por meio de micrografias do interior do suporte, revelando que as leveduras se desenvolveram em toda a extensão da partícula.There is an ever-increasing demand for reduction of unit operations employed in industrial alcohol fermentation for beverage production, and a growing interest in the physiology of yeasts used in the process. In this context, cell immobilisation is an interesting alternative, since it reduces the number of steps to separate biomass from the fermented broth. There is a need to study the physiological effects caused by immobilisation on cells used in beer fermentation, so that the mechanisms that govern such metabolic alterations can be investigated in more detail and, eventually, fully described. Thus, the main objective of this work was to study the physiology of three brewer\'s yeast strains (SY025, SY067 and SY001) immobilised on a porous cellulose-based support. The immobilisation methodology was defined as entrapment in a porous structure by biomass adsorption on the internal walls of the support, along with in situ formation of a calcium alginate gel, followed by a second gelation step, external to the matrix. Batch fermentations in malt extract 12 °P were carried out with the three strains in free and immobilised form, to compare kinetic parameters of both process conditions. Mathematical modelling of fermentation kinetics was performed, using experimental data to estimate physiological parameters under the studied conditions. A mathematical reaction-diffusion model was also used to estimate the total substrate concentration gradient inside the immobilisation support, in order to improve the understanding of how the immobilisation microenvironment influenced the physiology of yeast cells. Fermentations with different initial concentrations of substrate and biomass were conducted, aiming to analyse the influence of these variables on the formation of flavour compounds, using statistical models. Compared to free cells, immobilised yeasts showed higher glycerol production (SY025 - 40 %; SY067 - 53 %; and SY001 - 19 %) and total biomass in the system (SY025 - 67 %; SY067 - 78 %; and SY001 - 56 %). Free cells produced more ethanol than immobilised ones (SY025 - 9 %; SY067 - 9 %; and SY001 - 13 %), which indicates that somehow the support stimulated microbial growth. There were also physiological changes in the formation of flavour compounds in immobilised yeasts. In addition, the maximum specific rate of cell growth (µmax) was increased in immobilised SY025 yeasts (0.73 h-1) compared to free yeasts (0.13 h-1 ). The same occurred with the SY001 strain; µmax values were 0.08 h-1 and 0.47 h-1 for free and immobilised ones, respectively. There was a reduction of µmax in the case of SY067: 0.14 h-1 for free and 0.093 h-1 for immobilised cells. It wasestimated that a gradient of substrate concentration occurred inside the support. Even so, the estimated values of the effectiveness factor (?) of the immobilisation matrix indicate that the process was not severely impacted by limitations in mass transfer. This was verified by micrographs of the interior of the support, which revealed that yeast cells were able to grow throughout the entire length of the particle