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Tese

Immobilised yeast technology for craft beer production: bioreactor design, fermentation modelling and techno-economic analysis (2025)

  • Authors:
  • Autor USP: ARAUJO, THIAGO MACHADO DE - EP
  • Unidade: EP
  • Sigla do Departamento: PQI
  • Subjects: LEVEDURAS; CERVEJA; FERMENTAÇÃO
  • Agências de fomento:
  • Language: Inglês
  • Abstract: A imobilização de leveduras é o confinamento físico das células dentro de uma região delimitada, por meios químicos ou físicos, e foi extensivamente investigada na produção de cerveja entre 1970 e 1990. Apesar do entusiasmo inicial quanto ao seu potencial para revolucionar a fermentação por meio de maior carregamento de biomassa, facilidade de reutilização e aumento de produtividade, a aplicação industrial permaneceu limitada devido a alterações fisiológicas nas leveduras, restrições de transferência de massa e dificuldades em reproduzir os perfis de sabor típicos das cervejas tradicionais com células em suspensão. Esta tese de doutorado investigou a viabilidade da aplicação da tecnologia de leveduras imobilizadas na produção de cerveja artesanal, integrando projeto de reatores, cinética de fermentação, modelagem matemática e análise técnico-econômica. Uma nova matriz de imobilização à base de celulose (suporte ImoYeast) foi caracterizada. As principais propriedades físicas incluíram: diâmetro de partícula de 7,5 mm, área superficial BET de 4,12 m²·g⁻¹, densidade de partícula de 1,44 g·mL⁻¹ e diâmetro de poro de 285,55 Å. Análises hidrodinâmicas em regimes de leito fixo e fluidizado indicaram condições favoráveis para fermentação, com velocidade mínima de fluidização de 6,96 cm·s⁻¹ e número de Reynolds do meio poroso de 716,8 (U = 0,92 cm·s⁻¹). O biorreator ImoYeast foi projetado para operação em batelada com recirculação externa de mosto e escalonado para configurações de 50 L e 250 L, preservando a similaridade geométrica e hidrodinâmica. Fermentações foram inicialmente conduzidas em escala de bancada (2 L), utilizando recirculação de mosto a 1 L·min⁻¹, para avaliar os efeitos da temperatura (T) e da concentração inicial de biomassa (X₀). Os resultados sugeriram que a eficiência da imobilização foi inversamenteproporcional tanto a T quanto a X₀. Bateladas repetidas (1 L de volume de fermentação e 0,1 L·min⁻¹ de recirculação) demonstraram rendimentos estáveis de etanol e glicerol ao longo de cinco ciclos, com aumento da produtividade total de biomassa e redução da integridade do suporte ImoYeast. Cinéticas detalhadas (quadruplicata, 1 L de volume de fermentação, 0,1 L·min⁻¹ de recirculação) possibilitaram o desenvolvimento de um modelo matemático para descrever a dinâmica das células imobilizadas e desprendidas, o consumo de açúcares e a formação de produtos. Os resultados indicaram que o acúmulo celular não foi o principal fator de estresse para as células imobilizadas (B = 498,018 gS·gXim⁻¹). Fermentações em escala piloto (50 L de volume, 5–10 L·min⁻¹ de recirculação) confirmaram maior produção de álcoois superiores e maior resiliência ao estresse em sistemas imobilizados, mas também revelaram desvios de sabor e problemas de estabilidade a longo prazo. Uma análise técnicoeconômica comparou a fermentação tradicional com células livres (FREE) a sistemas imobilizados utilizando ImoYeast em taxas de recirculação de 1 L·min⁻¹ (IMO1) e 0,1 L·min⁻¹ (IMO2), com simulação dos processos no Aspen Plus V14. Os preços mínimos de venda ficaram abaixo do preço médio da cerveja no Brasil (3,43 US$·L⁻¹): 2,33 US$·L⁻¹ (FREE), 2,86 US$·L⁻¹ (IMO1) e 1,97 US$·L⁻¹ (IMO2). Embora o suporte ImoYeast tenha contribuído substancialmente para os custos operacionais (até 49,73% no IMO2), simulações de Monte Carlo indicaram altas probabilidades de lucratividade: 97,5% (FREE), 87,5% (IMO1) e 99% (IMO2). Os principais fatores econômicos foram os custos de equipamentos e o retorno sobre o investimento. Este trabalho demonstra que a imobilização de leveduras no suporte ImoYeast é técnica e economicamente viável para fermentação em batelada na produçãode cerveja, especialmente no mercado artesanal, onde perfis sensoriais inovadores podem ser valorizados. Mas, a consistência do produto e a estabilidade da imobilização permanecem desafios críticos. Estudos para otimização do suporte, projeto de reatores e controle metabólico serão essenciais para explorar plenamente o potencial das leveduras imobilizadas na produção de cerveja.
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 22.08.2025
    • Acesso à fonte
    How to cite
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    • ABNT

      ARAUJO, Thiago Machado. Immobilised yeast technology for craft beer production: bioreactor design, fermentation modelling and techno-economic analysis. 2025. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2025. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-29012026-113744/pt-br.php. Acesso em: 13 fev. 2026.

    • APA

      Araujo, T. M. (2025). Immobilised yeast technology for craft beer production: bioreactor design, fermentation modelling and techno-economic analysis (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-29012026-113744/pt-br.php

    • NLM

      Araujo TM. Immobilised yeast technology for craft beer production: bioreactor design, fermentation modelling and techno-economic analysis [Internet]. 2025 ;[citado 2026 fev. 13 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-29012026-113744/pt-br.php

    • Vancouver

      Araujo TM. Immobilised yeast technology for craft beer production: bioreactor design, fermentation modelling and techno-economic analysis [Internet]. 2025 ;[citado 2026 fev. 13 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-29012026-113744/pt-br.php

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