Reduction of startup time and maintenance periods in continuous beer fermentation using immobilized yeast onto brewer's spent grains

Abstract

The current project aimed at solving technical problems involved on the implementation of a bioreactor (airlift) for continuous primary beer fermentation. In order to operate in continuous mode, the reactor must be capable of retaining a large amount of immobilized biomass. The first strategy taken towards this achievement was to effectively obtain a yeast carrier from Brewer´s Spent Grains (BSG) by suggesting several different chemical treatments. The ideal yeast carrier was obtained from a 40 min caustic treatment and had about 56% of cellulose content. This material was then used for yeast immobilization in two continuous beer fermentations. In these fermentations, foam fractionation was suggested as a method for continuous skimming non-viable biomass out from the bioreactor. The suggested setup presented good performance (rs = 2.95-3.62 g.L-1.h-1; and rp = 1.33-1.73 g.L-1.h-1) on continuous beer fermentation and a viability difference between yeast subpopulations from foam and remaining yeast in the reactor has been observed suggesting the feasibility of foam fractionation for dead biomass skimming. Yet, it has also been observed that flocculated biomass surrounding the biocatalysts were contributing in a large extent for the total immobilized biomass in the reactor. Thus, an assay testing the feasibility of flocculation as sole way of biomass immobilization in an airlift reactor was carried out. This new and simpler setup has shown much better performance than carriers’ based setups for biomass loading capacity (25 gcell dry wt..L-1), presenting very similar fermentation rates (rs = 3.4 g.L-1.h-1; and rp = 1.54 g.L-1.h-1). Then, two other continuous primary beer fermentations were carried out in order to test the feasibility and quality of beer produced using similar flocculation-based setups. In the first and longer fermentation up to 52 gcell dry wt..L-1 were attained through flocculation. Fermentation rates were higher than any other setup suggested by the literature for continuous beer fermentation (rs = 8.7 g.L-1.h-1; and rp = 3.7 g.L-1.h-1). This experiment was also very relevant as it was possible to correlate many other variables (such as FAN consumption rate influencing higher alcohols and diacetyl formation) contributing for the success of the suggested system. The last experiment was carried out at the laboratories of a large commercial brewery where some important parameters could be better controlled (fast feedback of results by automated beer analyzer, fresh wort always available, etc.). The results were consistent with the ones observed in the last mentioned experiment, replicating its outstanding performance (rs = 9.43 g.L-1.h-1; and rp = 3.75 g.L-1.h-1). Moreover, the beer from flocculated based setup was of excellent quality, confirmed by a professional panel of beer specialists.

Este projeto teve como principal objetivo resolver problemas técnicos associados à implementação de um bioreactor (do tipo airlift) para fermentação primária e contínua de cerveja. Para operar em contínuo, o reator deve ser capaz de reter uma grande quantidade de biomassa imobilizada. A primeira estratégia tomada foi obter suportes para imobilização da levedura a partir de drêche cervejeira através de tratamentos químicos. O suporte ideal foi obtido por um tratamento cáustico de 40 min e tinha aproximadamente 56% de pureza em celulose. Este material foi utilizado na imobilização de leveduras em duas fermentações contínuas. Nestas fermentações, o fracionamento pela espuma foi sugerido como método para escumar a biomassa morta do reactor. A configuração sugerida apresentou bom desempenho (rs = 2,95-3,62 g.L- 1.h-1; and rp = 1,33-1,73 g.L-1.h-1) ao mesmo tempo que foi possível observar uma diferença de viabilidade entre as sub-populações de levedura presentes na espuma e que permaneciam no reactor. Ainda foi possível observar que a biomassa floculada em redor dos biocatalizadores estavam a contribuir em grande parte para biomassa total imobilizada no airlift. Assim, foi realizado um experimento para testar a viabilidade de utilizar a floculação como única forma de imobilização de leveduras no airlift. Esta nova configuração demonstrou não só um desempenho muito superior ao anterior em relação à capacidade de imobilização celular (25 gpeso seco de células..L-1), mas também apresentou uma capacidade fermentativa muito semelhante (rs = 3,4 g.L-1.h-1; and rp = 1,54 g.L-1.h-1). A seguir, duas outras fermentações foram realizadas no intúito de validar a nova configuração e avaliar a qualidade da cerveja produzida. Na primeira e mais longa fermentação, um total de até 52 gpeso seco de células..L-1 foi obtido por floculação e as taxas de fermentação foram superiores todas configurações apresentadas na literatura envolvendo a fermentação contínua de cerveja (rs = 8,7 g.L-1.h-1; and rp = 3,7 g.L-1.h-1). Ainda foi possível correlacionar muitas variáveis (como o consumo de FAN influenciando na formação de alcoois superiores e diacetil) contribuindo para o sucesso desta nova configuração. O último experimento foi realizado nos laboratórios de uma grande indústria cervejeira, aonde foi possível controlar de forma mais rigorosa alguns parâmetros (rápido retorno de resultados através de equipamentos automatizados, mosto fresco sempre disponível, etc.). Os resultados do sistema foram consistentes com o do experimento anterior, constatando-se novamente seu excelente desempenho (rs = 9,43 g.L-1.h-1; and rp = 3,75 g.L-1.h-1). Ainda, a cerveja produzida pelo sistema baseado em floculação foi de excelente qualidade, comprovada por um painel profissional de especialistas cervejeiros.