Continuous fermentation of alcohol-free beer: bioreactor hydrodynamics and yeast physiology

Abstract

In this study, the continuous product ion with immobilized cells of beer without alcohol was investigated. Apart from the evaluation of the various parameters affecting the quality of the continuous product ion of alcohol- free beer, a detailed study on the hydrodynamics of three phase bioreactors was also done. One of the major costs associated with continuous fermentations is the carrier cost where the yeast is immobilized. Two carriers that are byproducts of the brewing industry and agriculture (corn cobs and spent grains) were considered and applied in two different types of bioreactors: gas- lift and fixed-bed, using small and large particles, respectively. The presence of sol id particles in three-phase systems can influence the course of the fermentation, as the hydrodynamics of the system may be modified. Thus, in this work the influence of spent grains in regime transition on a bubble column was studied. In the presence of spent grains, the limits where the homogeneous regime prevails are smaller than without solids. The effect is similar to liquids with low viscosity. Different configurations of gas- lift bioreactors were also evaluated and the configuration with better global hydrodynamic properties for the continuous fermentation of alcohol- free beer was selected. Having this done, the local hydrodynamic properties of the three-phase system were characterized using advanced techniques such as optical fibers, traditionally applied in two-phase systems. Local studies indicated that the hydrodynamic characteristics are more affected by the fermentation metabolites (e.g. ethanol ) than the sol ids. The gas- lift reactor configuration was demonstrated to be the one that allowed for the obtention of a better quality beer. For this system were also tested the influence of the composition of the gas-phase in the formation of aroma and flavour compounds, as well as the influence of a long- term fermentation on the physiology of immobilized yeast. The results indicated that the use of nitrogen in the gas phase exhibits an interesting potential in terms of mixing and maintenance of anaerobic conditions essential in a continuous fermentation. Finally strategies for maintaining and monitoring the physiology of the immobilized yeast have been suggested. Among these are the regular addition of fresh carrier (spent grains) and control of the number bud scars resulting from the yeast cell division. In the continuous product ion of alcohol- free beer, several knowledge areas are involved and its interaction is of fundamental importance. It starts with the select ion of the best carrier and yeast strain. Then, the bioreactor design based on the interact ion between its hydrodynamic properties and the fermentation performance. In this work the complex relation between these different fields allowed the acquisition of new knowledge that will be useful in the future.

Neste trabalho, foi estudada a produção de cerveja sem álcool em contínuo, utilizando leveduras imobilizadas. O trabalho englobou diferentes áreas, como: o estudo da hidrodinâmica de bioreactores trifásicos, e o estudo de diversos parâmetros que afectam a qualidade da fermentação contínua de cerveja sem álcool. Um dos principais custos associados à fermentação contínua é o custo dos suportes onde se imobilizam as leveduras. Assim foram estudados dois suportes que são subprodutos da indústria agrícola e cervejeira (espigas de mi lho e “spent grains”). De acordo com os resultados obtidos, os suportes, de diferentes dimensões, foram aplicados a dois tipos de bioreactores - "gás- lift" (partículas menores) e leito fixo (partículas maiores). A presença de partículas sólidas em sistemas trifásicos pode influenciar o decurso de uma fermentação. Assim neste trabalho foi estudada a influência dos “spent grains” na transição de regime em coluna de bolhas. O estudo teve como objectivo simular uma parte do reactor gas- lift (tubo ascendente) e entender os mecanismos físicos que ai ocorrem. Na presença dos “spent grains” os caudais aos quais o regime homogéneo prevalece são menores, efeito similar a líquidos com baixa viscosidade. Seguidamente a influência dos “spent grains” foi estudada para diferentes configurações de bioreactores gas- lift. No fim foi seleccionada a configuração que apresentava propriedades hidrodinâmicas globais que melhor se adaptam as características de uma fermentação contínua de cerveja sem álcool. Feita a selecção do bioreactor estudou-se as propriedades hidrodinâmicas locais do sistema trifásico. Para tal recorreu-se a técnicas mais refinadas (fibras ópticas), normalmente utilizadas em sistemas bifásicos. Assim foi necessário desenvolver um método para a utilização destas técnicas em sistemas trifásicos que pode ser também aplicada a sistemas com elevada densidade celular. Os estudos locais indicaram que as características hidrodinâmicas são mais afectadas pelos subprodutos da fermentação do que pelos sólidos Foram também realizadas experiências que permitiram estudar a influência de diversos parâmetros (tipo de bioreactor, estirpe de levedura, suporte) na fermentação continua. Entre os parâmetros estudados o produto final que apresentava melhor qualidade foi obtido utilizando um bioreactor gás- lift com leveduras imobilizadas em “spent grains”. Neste sistema foram ainda testados a influência do tipo da fase gasosa na formação de compostos do aroma e sabor, assim como a influência de uma fermentação continua de longa duração na fisiologia das leveduras imobilizadas. Os resultados indicaram que o azoto apresenta um potencial interessante na manutenção das condições de mistura e de anaerobiose essenciais numa fermentação contínua. Finalmente estratégias para a manutenção e controlo da fisiologia das leveduras imobilizadas foram sugeridas. Entre elas encontram-se: a adição regular de suporte fresco (“spent grains”) e o controlo das cicatrizes das leveduras resultantes da sua divisão celular . Na produção contínua de cerveja sem álcool interagem diversas áreas do conhecimento. Este estudo inicia-se pela seleção do melhor suporte e estirpe de levedura. Posteriormente passa-se ao desenvolvimento de um bioreactor que é baseado na interação entre as suas propriedades hidrodinâmicas e a qual idade da fermentação. Ao longo deste trabalho a complexa relação entre diferentes áreas do conhecimento permitiu a aquisição de novos conhecimentos que poderão ser úteis no futuro.