No presente trabalho, avaliou-se o efeito limitante da lignina residual de bagaço de cana submetido a diferentes pré-tratamentos na hidrólise da celulose. O bagaço foi submetido a cinco pré-tratamentos: NaOH (5%), Na2SO3/NaOH (10%/5%), H2SO4 (0,75%), NaHSO3/H2SO4 (5%/0,75%) e explosão a vapor catalisada por SO2 (3%). Os pré-tratamentos resultaram em bagaços com diferentes composições químicas, sendo que os tratamentos alcalinos favoreceram a solubilização de lignina e os tratamentos ácidos favoreceram a solubilização de hemicelulose. Os bagaços tratados com Na2SO3/NaOH e por explosão a vapor resultaram em rendimentos de hidrólise de celulose superiores a 80% ao utilizar altas cargas de enzima (Celluclast), indicando a maior acessibilidade da celulose desses materiais. Isso foi confirmado pela técnica de coloração de Simons, que mostrou que a área superficial acessível da celulose desses dois bagaços foi maior que a dos demais. Boas correlações (R2>0,8) entre o rendimento de hidrólise da celulose em 72 h e a celulose superficial acessível só foram obtidos com altas cargas de enzima, evidenciando que fatores além da acessibilidade limitaram a hidrólise da celulose com quantidade menor de enzimas. As ligninas dos bagaços pré-tratados foram isoladas e a capacidade adsortiva de proteínas foi determinada. A lignina de bagaço tratado por explosão a vapor apresentou maior capacidade adsortiva, seguida da lignina de bagaço tratado com NaOH. Os pré-tratamentos com íons sulfito (Na2SO3/NaOH e NaHSO3/H2SO4) resultaram em ligninas com capacidades adsortivas inferiores quando comparado aos seus análogos sem sulfito (NaOH e H2SO4), possivelmente pela sulfonação da lignina residual, confirmada pela presença de grupos ácidos fortes nesses bagaços. A adição de BSA prévia à adição de celulases confirmou o forte efeito da adsorção improdutiva causada pela lignina nos bagaços tratados com NaOH e por explosão a vapor, materiais cujas ligninas apresentaram maiores capacidades adsortivas. A adsorção improdutiva foi menor ao utilizar o extrato enzimático Cellic CTec3, evidenciando que as enzimas desse coquetel são menos sensíveis à presença da lignina. Do extrato Celluclast, a enzima que mais adsorveu nas ligninas de bagaço tratado com NaOH e por explosão a vapor foi a ?-glicosidase, seguida da endoglucanase. As enzimas purificadas CBHI e EGII de T. longibrachiatum adsorveram menos à lignina de bagaço tratado por explosão a vapor que as mesmas enzimas de T. reesei. A ?-glicosidade de A. niger não adsorveu a essa lignina. Independentemente do pré-tratamento, a presença de fenóis solubilizados a partir da lignina, em baixas concentrações, resultou em aumento no rendimento de conversão de celulose ao utilizar baixas cargas de enzima, possivelmente pelo efeito positivo causado por esses na atividade de enzimas oxidativas, ou pela presença de lignossulfonatos. Em concentrações mais elevadas, independente da carga enzimática, os fenóis liberados foram inibitórios em todos os pré-tratamentos. A atividade de CBHI foi mais sensível à presença dos compostos fenólicos que a atividade de ?-glicosidase. A partir dos resultados, conclui-se o aumento da acessibilidade, seja pela remoção ou pela relocalização da lignina, é o fator que mais influencia a hidrólise eficiente da celulose do bagaço. A adsorção improdutiva foi dependente do pré-tratamento, e resultou em diminuição significativa dos rendimentos de hidrólise da celulose com baixas cargas de enzima. / The present work evaluated the limiting effect of the residual lignin of sugarcane bagasse submitted to different pretreatments: NaOH (5%), Na2SO3/NaOH (10%/5%), H2SO4 (0.75%), NaHSO3/H2SO4 (5%/0.75%) and SO2-catalyzed steam explosion (3%). The pretreatment resulted in bagasses with different chemical compositions, wherein the alkaline treatments resulted in a more efficient solubilization of lignin, and the acidic treatments solubilized the hemicellulose. The bagasses treated with Na2SO3/NaOH and by steam explosion resulted in cellulose hydrolysis yields above 80% using higher enzyme loadings (Celluclast), indicating the increased accessibility of the cellulose in these materials. This was confirmed by Simons\' Stain, which showed that the accessible surface area of the cellulose in these bagasses was higher than in the others. Good correlations (R2>0.80) between the 72 h hydrolysis yields and the accessible surface area of cellulose were only observed at higher enzyme loadings, indicating that other factors than accessibility, limit the hydrolysis at lower enzyme loadings. The lignins were isolated from the pretreated bagasses and the protein binding capacity was determined. The lignin from steam exploded bagasse showed the highest binding capacity, followed by the lignin extracted from NaOH-treated bagasse. The sulfite pretreatments (Na2SO3/NaOH e NaHSO3/H2SO4) resulted in lignins with lower binding capacities, when compared to their analogues without sulfite (NaOH e H2SO4), possibly because of the sulfonation of the residual lignin, confirmed by the presence of strong acid groups in these bagasses. BSA addition prior to the cellulases confirmed the strong effect of unproductive binding caused by the lignin in the NaOH-treated and steam exploded bagasses, materials with the highest binding capacity lignins. Less unproductive binding was observed using the enzyme extract Cellic CTec3, showing that the enzymes in this cocktail are less sensitive to the presence of lignin. From the extract Celluclast, the enzyme that most adsorbed to the lignins isolated from NaOH-treated and steam exploded bagasses was ?-glucosidase, followed by the endoglucases. The purified CBHI and EGII from T. longibrachiatum were less adsorbed to steam exploded bagasse lignin that the same enzymes from T. reesei. ?-glucosidase from A. niger did not bind to this lignin. Despite of the pretreatment, the presence of phenols solubilized from lignin, at lower concentrations, increased the cellulose hydrolysis yields with lower enzyme loading, possibly because of the positive effect of these compounds in the activity of oxidative enzymes, or because of the presence of lignosulfonates. At higher concentrations, despite of the enzyme loading, the phenols were inhibitory in all the pretreatments. The CBHI activity was more sensitive to the presence of phenolic compounds than the ?-glucosidase activity. From these results, it is possible to conclude that the increase in the accessibility, due to the lignin removal or relocation, influences the most the efficient hydrolysis of bagasse cellulose. The unproductive binding was pretreatment dependent and resulted in a significant decrease in the hydrolysis yields of the cellulose at lower enzyme loadings.

Atualmente, a bioprodução de etanol a partir de materiais lignocelulósicos como o bagaço de cana é de grande interesse nacional e cientifico. Para utilização destes materiais em processos biotecnológicos procedeu-se sua hidrólise em função de sua constituição complexa em celulose, hemicelulose e lignina. Após hidrólise ácida branda obteve-se um hidrolisado hemicelulósico rico em xilose e outros açúcares juntamente com compostos tóxicos a atividade microbiana como ácido acético, furfural, hidroximetilfurfural e compostos fenólicos. Este trabalho avaliou a necessidade da suplementação nutricional bem como a concentração inicial de xilose e células no hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar sobre os parâmetros fermentativos de sua bioconversão a etanol pela levedura Pichia stipitis UFMG-IMH 43.2. Os ensaios foram realizados de acordo com um planejamento fatorial completo 23 com face centrada tendo como resposta o fator de conversão de açúcares em etanol (YP/S). Na suplementação do hidrolisado avaliou-se a adição dos seguintes nutrientes: MgSO4 (0 a 1,0 g/L), extrato de levedura (0 a 5,0 g/L) e uréia (0 a 5,0 g/L). Neste estudo observou-se que o extrato de levedura (5,0 g/L) exerceu maior influência sobre o processo fermentativo alcançando máximos valores de YP/S (0,13 g/L) e produtividade volumétrica em etanol (0,07 g/L.h) não necessitando da adição dos demais nutrientes. Ao se avaliar a concentração inicial de xilose (30; 52,5; 75 g/L) bem como a concentração celular inicial (0,5; 1,0; 2,0 g/L) no hidrolisado observou-se uma melhoria significativa no valor de YP/S (0,19 g/g) utilizando máxima concentração celular inicial (2 g/L) associada com menor concentração de xilose inicial (30 g/L). Estes resultados indicaram que a levedura Pichia stipitis UFMG-IMH 43.2 favoreceu a conversão em etanol YP/S (0,19 g/g), mostrando que a levedura teve melhor comportamento a baixas concentrações de xilose. Este estudo demonstrou que a levedura P. stipitis UFMG-IMH 43.2 mostrou-se como uma alternativa viável para a produção de bioetanol em hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar. / Currently, ethanol bioproduction from lignocellulosic materials such as sugarcane bagasse is of great national and scientific interest. For utilization of these materials in biotechnological processes according mild acid hydrolysis is required to complex constitution of cellulose, hemicellulose and lignin. After mild acid hydrolysis, a hemicellulosic hydrolyzate rich in xylose and other sugars together with toxic compounds to microbial activity as acetic acid, furfural, hydroxymethylfurfural and phenolics was obtained. The studies on the hydrolysate supplementation evaluated the nutrients addition: MgSO4 (0 to 1.0 g/L), yeast extract (0 to 5.0 g/L) and urea (0 to 5.0 g/L) and effects of initial xylose and cell concentration for ethanol production by Pichia stipitis UFMG-IMH 43.2 yeast were evaluated. The experiments were performed according to factorial design central composite face centered 23 using YP/S as response factor. This study showed that only the addition of 5.0 g/L yeast extract was enough to obtained YP/S equal to 0.13 g/L and productivity of 0.07 g/L-h. The evaluation of initial xylose concentration (30; 52,5; 75 g/L) and initial cell concentration (0,5; 1,0; 2;0 g/L) showed a significant influence on fermentation parameter YP/S. The best conditions were achieved using initial cell concentration of 2.0 g/L and initial xylose concentration of 30 g/L with YP/S equal to 0.19 g/g, showing that this yeast strain had better performance at low xylose concentrations. This study demonstrated that P. stipitis UFMG-IMH 43.2 yeast was a promising alternative for bioethanol production from sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / A imobilizaÃÃo de β-galactosidase para hidrÃlise de lactose à uma proposta para agregar valor ao soro de leite com conseqÃente produÃÃo de galactose e glicose. O objetivo deste trabalho foi desenvolver biocatalisadores a partir de diferentes suportes orgÃnicos e protocolos de ativaÃÃo visando à hidrÃlise de lactose proveniente do soro de leite. Inicialmente, prepararam-se os suportes a serem aplicados no estudo como quitosana 2,5% (m/v) (sem e com prÃ-tratamento com dimetilformamida) e 2,0% (m/v), quitosana-alginato-epoxilado (QAE), bagaÃo de caju (BC) e fibra de casca de coco verde (CV), os quais foram ativados de diferentes formas, com glutaraldeÃdo, epicloridrina ou glicidol. Na primeira etapa, determinaram-se o rendimento de imobilizaÃÃo, atividade recuperada e atividade aparente dos diferentes derivados obtidos para assim determinar os seis melhores â quitosana 2,5% (m/v) ativada com glutaraldeÃdo (QUITGLU1), quitosana 2,0% (m/v) coagulada com KOH a 50ÂC ativada com glutaraldeÃdo (QUITGLU2) ou epicloridrina (QUITEPI) ou glicidol (QUITGLI), quitosana 2,5% (m/v) tratada com dimetilformamida ativada com epicloridrina (QUIT-DMFEPI) ou glicidol (QUIT-DMFGLI). Para segunda fase, os catalisadores (QUITGLU1, QUITGLU2, QUITEPI, QUITGLI) foram estudados quanto à estabilidade operacional com o uso de reator contÃnuo, assim como ensaios de carga mÃxima e efetividade. Baseado nestes ensaios determinou-se QUITGLU2 como melhor biocatalisador e realizaram-se os seguintes estudos: variaÃÃo do tempo de imobilizaÃÃo, determinaÃÃo da melhor temperatura e pH para atividade enzimÃtica, determinaÃÃo de parÃmetros cinÃticos, estocagem sob 10ÂC e estabilidade operacional com o uso de alta carga enzimÃtica usando soro de leite como substrato. Suportes como CV e BC nÃo apresentaram boa adequaÃÃo para imobilizaÃÃo de β-galactosidase de Kluyveromyces lactis, assim como o suporte QAE. Suportes com tratamento com dimetilformamida apresentaram baixos rendimentos de imobilizaÃÃo. Os resultados para o derivado QUITGLU2 apresentaram carga mÃxima de 75 mgProteÃna.g-1 de suporte e efetividade superiores aos demais. A estabilidade operacional para este derivado apresentou-se estÃvel, visto sua produÃÃo de glicose constante por 10 h de reaÃÃo. O tempo 3 h mostrou-se suficiente para imobilizaÃÃo. Os valores de Km e VmÃx tanto para enzima solÃvel (46,79 mM e 7.142,86 μmol.(mL.min)-1) quanto para o derivado (69,56 mM e 113,25 μmol.(g.min)-1). Durante os 120 dias de armazenamento sob 10ÂC, nÃo houve decrÃscimo da atividade hidrolÃtica do derivado, demonstrando Ãtima estabilidade à estocagem. Por fim, o biocatalisador mostrou bons resultados de estabilidade operacional quando utilizado em alta carga oferecida (255,9 mgProteÃna.g-1 de quitosana de carga teoricamente imobilizada) para hidrÃlise de soro de leite / β-galactosidase immobilization was studied seeking to add value to cheese whey trough lactose hydrolyze producing galactose and glucose. This work aimed to develop biocatalysts using different organic supports and activation protocols. Firstly, some supports were prepared as chitosan 2.5% (w/v) (with and without pretreatment with dimethylformamide) and 2.0% (w/v), chitosan-alginate-epoxide (QAE), cashew bagasse (BC) and coconut shell fiber (CV), which were activated in different ways with glutaraldehyde, epichlorohydrin or glycidol. Initially, it was determined the immobilization yield, couple yield and apparent activity from obtained catalysts, being chosen six derivatives according to better results parameters: 2.5% chitosan (w/v) glutaraldehyde activated (QUITGLU1), 2.0% chitosan (w/v) KOH coagulated at 50ÂC glutaraldehyde activated (QUITGLU2) and epichlorohydrin (QUITEPI) or glycidol (QUITGLI), chitosan 2.5% (w/v) dimethylformamide treated with epichlorohydrin (QUIT-DMFEPI) or glycidol (QUIT-DMFGLI). Thus, catalysts (QUITGLU1, QUITGLU2, QUITEPI, QUITGLI) were studied as operational stability by using a continuous reactor, as well as, maximum enzyme loading and effectiveness assays. Then, it was determined QUITGLU2 as the best biocatalyst and following studies were carried out: immobilization time, enzyme optimum temperature and pH, kinetic parameters using lactose as substrate at 37ÂC, storage at 10ÂC and operational stability using high load enzyme and cheese whey as substrate. CV and BC supports did not present good results for β-Kluyveromyces lactis galactosidase immobilization, as well as, QAE support. Supports treated with dimethylformamide presented low immobilization yields. The results for QUITGLU2 derivative presented maximum loading of 75 mgProtein.g-1support and higher effectiveness than others. The operational stability for this derivative remained stable, with constant glucose production for 10 h of reaction. Immobilization time of 3h proved enough for the process. The Km and VmÃx values were respectively: free enzyme (46.79 mM and 7,142.86 μmol.(mL.min)-1) and catalyst (69.56 mM and 113.25 μmol.(g.min)-1). During 120 days of storage at 10ÂC, no decrease derivative hydrolitic activity was noted, demonstrating satisfactory storage stability. Finally, the biocatalyst showed good results as operational stability when used high offered enzyme load (theoretically immobilized load 255.9 mgProtein.g-1chitosan) for cheese whey hydrolysis

Renewable energy sources have been proposed as a viable option to mitigate the consumption and the dependence of fossil fuels. Among the available alternatives, lignocellulosic biomass has shown great potential for bioenergy generation, and biofuels as ethanol can be obtained by fermentation from sugars present in cellulosic and hemicellulosic fractions of biomass. However, for the efficient release of fermentable sugars during the enzymatic hydrolysis step, a pretreatment process is required to modify the material in its structure and composition. In this context, hydrodynamic cavitation (HC) was proposed in this work as a new and promising alternative for pretreatment of sugarcane bagasse. Firstly, the variables NaOH concentration, solid/liquid (S/L) ratio and HC process time were optimized in HC assisted pretreatment. In optimized conditions (0.48 mol/L of NaOH, 4.27% of S/L ratio and 44.48 min), high lignin removal (60.4%) and enzymatic digestibility of cellulose fraction (97.2%) were obtained. Based in those results, new variables (inlet pressure, temperature, alkali concentration) were included for evaluation in a second stage of the study aiming to reduce the HC pretreatment time. In this case, temperature and álcali concentration showed more significance on lignin removal and hydrolysis yield of carbohydrate fraction in pretreated biomass. No significant difference in pretreatment efficiency was observed in 20 and 30 min of process time in the best conditions (70 °C, 3 bar of inlet pressure and 0.3 mol/L of NaOH). The dimensionless cavitation number influence also was evaluated in two levels (0.017 and 0.048), resulting higher efficiency using low cavitation number which was obtained using orifice plate with 16 holes (1 mm of diameter). Using the last optimized conditions and lower temperature (60 °C instead 70 °C) in order to avoid the foam formation when black liquor is reused, other alkalis (Ca(OH)2, Na2CO3, KOH) were evaluated in combination with HC and compared to the use of NaOH. High enzymatic conversions of carbohydrate fraction were observed in biomass pretreated using KOH-HC and NaOH-HC; additionally, NaOH black liquor was reused in 10 sequential batches. The pretreated biomass using fresh and reused black liquor were mixed and used for simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) in interconnected column reactors, resulting in 62.33% of hydrolysis of total carbohydrate fractions and 17.26 g/L of ethanol production (0.48 g of ethanol/g of glucose and xylose consumed). Finally, the addition of oxidant agent (H2O2) in the alkali HC-process was optimized. In selected conditions (0.29 mol/L of NaOH, 0.78 % v/v of H2O2 and 9.8 min), 95,43% and 81.34% of enzymatic hydrolysis yield of cellulose and hemicellulose fraction were achieved respectively, using 5% of solid loading (S/L) in the hydrolysis process. When packed bed flow-through column reactor using 20% of S/L was used, 74.7% cellulose hydrolysis yield was reached. Sugars present in hydrolysate were also fermented into ethanol in bubble column reactor resulting in a yield value of 0.49 g/g and 0.68 g/L.h of productivity. By analyzing the results as a whole, HC was shown as a promising technology to accelerate the pretreatment time under mild conditions, showing advantages as simplicity of system and possibility to application in industrial scale. / O uso de fontes de energia renováveis tem sido proposto como uma alternativa viável para reduzir o consumo e a dependência de combustíveis fósseis. Entre as alternativas disponíveis, a biomassa lignocelulósica apresenta grande potencial para geração de bioenergia, sendo que biocombustíveis como o etanol podem ser obtidos por fermentação a partir de açúcares presentes em suas frações celulósicas e hemicelulósicas. No entanto, para a liberação eficiente de açúcares fermentáveis na etapa de hidrólise enzimática, é necessário um processo prévio de pré-tratamento para modificar a estrutura e composição do material. Neste contexto, no presente trabalho a cavitação hidrodinâmica (CH) foi proposta como uma nova e promissora alternativa para o pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar. Em uma primeira etapa, as variáveis concentração de NaOH, relação sólido/líquido (S/L) e tempo de processo foram otimizadas no pré-tratamento assistido por CH. Em condições otimizadas (0,48 mol/L de NaOH, 4,27% de relação S/L e 44,48 min), elevados valores de remoção de lignina (60,4%) e digestibilidade enzimática da fração de celulose (97,2%) foram obtidos. Com base nesses resultados, novas variáveis (pressão à montante, temperatura e concentração de álcali) foram incluídas para avaliação em uma segunda etapa do estudo com o objetivo de reduzir o tempo de pré-tratamento com CH. Neste caso, a temperatura e a concentração de álcalis foram as mais importantes na remoção de lignina e influenciaram na hidrólise das frações carboidrato da biomassa pré-tratada. Não houve diferença significativa na eficiência do pré-tratamento em 20 e 30 minutos de tempo de processo nas melhores condições (70 ° C, 3 bar de pressão a montante e 0,3 mol/L de NaOH). A influência do adimensional -número de cavitação? também foi avaliada em dois níveis (0,017 e 0,048), resultando em maior eficiência usando o número de cavitação mais baixo, que foi obtido usando placa de orifício com 16 furos (1 mm de diâmetro). Usando estas condições otimizadas e menor temperatura (60 ° C ao invés de 70 ° C) para evitar a formação de espuma quando o licor negro é reutilizado, outros álcalis (Ca (OH)2, Na2CO3, KOH) foram avaliados em combinação com CH e comparados com o uso de NaOH. Conversões enzimáticas elevadas das frações carboidrato foram observadas em material pré-tratado utilizando KOH-CH e NaOH-CH; além disso, o licor negro de NaOH foi reutilizado em 10 bateladas sequenciais. As biomassas pré-tratadas com licor negro reutilizado e fresco foram misturadas e utilizadas em processo de sacarificação e fermentação simultâneas (SSF) em reatores de coluna interligados, resultando em 62,33% de hidrólise das frações carboidrato e 17,26 g/L de produção de etanol (0,48 g de etanol/g de glicose e xilose consumidos). Finalmente, a adição de agente oxidante (H2O2) no processo alcalino-CH foi otimizado. Nas condições selecionadas (0,29 mol/L de NaOH, 0,78% v/v de H2O2 e 9,8 min), 95,43% e 81,34% de rendimento de hidrólise enzimática das frações de celulose e hemicelulose, respectivamente, foram obtidos utilizando 5% de carregamento de sólidos (S/L) no processo de hidrólise. Quando foi utilizado reator de coluna de leito fixo com 20% de S/L, atingiu-se 74,7% de rendimento de hidrólise de celulose. Os açúcares presentes no hidrolisado também foram fermentados em etanol em um reator de coluna de bolhas, resultando em um valor de rendimento de 0,49 g/g e 0,68 g/L.h de produtividade. Analisando-se os resultados de uma forma global, demonstrou-se que a CH é uma tecnologia promissora para acelerar o tempo de pré-tratamento em condições amenas, mostrando vantagens como simplicidade do sistema e possibilidade de aplicação em escala industrial.

Métodos que convertem o bagaço de cana-de-açúcar em açúcares fermentescíveis são geralmente compostos por duas etapas principais: pré-tratamento para degradar a estrutura da planta e uma etapa de hidrólise enzimática ou química para converter as cadeias poliméricas em açúcares. Cada tecnologia de pré-tratamento tem um mecanismo diferente de ação sobre a estrutura do bagaço induzindo modificações físicas e/ou químicas, que são necessárias devido a presença de hemicelulose e lignina na parede celular da planta, o que impede o acesso das celulases nas partes internas do substrato. No presente trabalho, o processo quimio-mecânico foi utilizado para pré-tratar o bagaço de cana com o objetivo de aumentar a acessibilidade na parede celular pelas enzimas hidrolíticas. O processo associa a vantagem da remoção de um ou mais componentes do bagaço e o aumento da área superficial por trituração. Após o tratamento quimio-mecânico, rendimento do processo com adição de álcali foi de 91% e com sulfito alcalino de 75%, que corresponde à remoção de 33% e 53% de lignina e 13% e 29% da hemicelulose, respectivamente.A conversão de celulose de amostras pré-tratadas com álcali e sulfito-alcalino atingiu 50% e 85%, respectivamente, após 96 h de hidrólise enzimática. Duas amostras de bagaço com menor teor de lignina que a amostra proveniente da usina foram pré-tratadas com NaOH e refinadas. Uma das amostras com 14,2% de lignina foi obtida pela deslignificação seletiva com clorito de sódio e a outra com 19,2% de lignina foi selecionada em um programa de melhoramento genético da cana-de-açúcar e neste trabalho foi denominado de híbrido. As amostras com menor teor inicial de lignina foram hidrolisadas mais rapidamente nas primeiras 24 h de digestão enzimática. Por exemplo, a hidrólise enzimática da amostra com o menor teor de lignina inicial (14,2%) alcançou a conversão de celulose 64%, após apenas 24 h de hidrólise em comparação aos 30% observado para o bagaço de usina que continha um teor inicial de lignina de 24,4% .Um estudo adicional foi feito, em que o bagaço da usina e os híbridos foram pré-tratados quimio-mecanicamente com diferentes concentrações de hidróxido de sódio e sulfito. Foram avaliadas três concentrações de NaOH (2,5%, 3,75% e 5%) em combinação com sulfito de sódio (5%, 7,5% e 10%), mantendo-se a proporção de 1:2 de reagentes, respectivamente. As polpas obtidas do bagaço híbrido foram hidrolisadas mais facilmente que as polpas obtidas do bagaço da usina pré-tratadas na mesma concentração de sulfito-NaOH. O tempo necessário para hidrolisar 70% da celulose do bagaço híbrido foi a metade daquele necessário para hidrolisar o bagaço de usina. O menor teor de lignina e a presença de grupos sulfônicos podem ser fatores relevantes na digestibilidade enzimática do bagaço, portanto, plantas com baixo teor de lignina podem ser pré-tratadas por processos alcalinos relativamente brandos produzindo substratos mais facilmente hidrolisáveis por celulases. / Methods that convert sugarcane bagasse into fermentable sugars are generally comprised of two main steps: a pretreatment to degrade the plant structure and an enzymatic or chemical hydrolysis step to convert the polymeric chains into monomeric sugars. Each pretreatment technology has a different mechanism of action on the bagasse structure inducing physical and/or chemical modifications, which are necessary because the presence of hemicellulose and lignin in the cell walls prevents cellulases from accessing inner parts of the substrate. In this present work, chemomechanical processing was used to pretreat sugarcane bagasse with the aim of increasing cell wall accessibility to hydrolytic enzymes. The process combines the advantage of removal one or more components of bagasse and the increase in surface area by refining. After chemomechanical treatment, the yield of the process with the addition of alkali was 91% and 75% with alkaline-sulfite,corresponding to the removal of 33% and 53% of lignin and 13% and 29% of hemicellulose, respectively. Cellulose conversion of the alkaline- and alkaline/sulfite-chemomechanical pretreated samples reached 50% and 85%, respectively, after 96 h of enzymatic hydrolysis. Two samples of pulp with lower lignin content than the sample from the mill were pretreated with NaOH and refined. One of the samples with 14.2% of lignin was obtained by selective delignification with sodium chlorite and the other with 19.2% of lignin was selected in a breeding program of cane sugar and at this work has been called hybrid. Samples with lower initial lignin content hydrolyzed faster in the first 24 h of enzymatic digestion. For example, enzymatic hydrolysis of the sample with the lower initial lignin content (14.2%) reached 64% cellulose conversion after only 24 h of hydrolysis as compared to the 30% observed for the mill-processed bagasse containing an initial lignin content of 24.4%. An additional study was done,in which the mill bagasse and the hybrid were chemomechanically treated with different concentrations of NaOH and sulfite. Three concentrations of NaOH were evaluated (2.5%, 3.75% and 5%) in combination with sodium sulfite (5%, 7.5% and 10%), keeping the 1:2 ratio of reagents, respectively. Pulps obtained from hybrid bagasse were hydrolyzed more easily than the pulp obtained from the mill-processed bagasse treated in the same concentration of sulfite-NaOH. The time required to hydrolyze 70% of hybrid bagasse was half that required to hydrolyze the mill-processed bagasse. The lower lignin content and the presence of sulfonic groups may be important factors in the enzymatic digestibility of bagasse, therefore, plants with low lignin content can be pre-treated by relatively mild alkali processes producing substrates more easily hydrolysable by cellulase.

O bagaço de cana-de-açúcar é um material rico em celulose, molécula que pode ser convertida enzimaticamente em glicose pela ação de celulases. No entanto, no bagaço, a celulose está associada à hemicelulose e à lignina, componentes que limitam a sua digestibilidade enzimática. A lignina é o principal limitante da hidrólise da celulose, reduzindo a acessibilidade das enzimas celulolíticas. A hemicelulose também limita a ação das celulases e a presença de ácidos hidroxicinâmicos, como ferúlico e cumárico contribuem para reduzir os níveis de hidrólise. Nesse trabalho, o bagaço de cana-de-açúcar foi tratado com clorito de sódio em meio ácido com o objetivo de remover seletivamente a lignina e produzir modelos com teores reduzidos desse componente. O bagaço de cana controle continha 22,8% de lignina e após a deslignificação por 4 horas, materiais com até 6,8% de lignina foram obtidos, mantendo quase inalteradas as frações celulósicas e hemicelulósicas. Os bagaços foram submetidos à hidrólise enzimática com celulases comerciais. Apenas 26% da celulose de bagaço controle foram convertidos em glicose e 11% da xilana foram convertidos em xilose, com 72 horas de hidrólise. Nos bagaços com menores teores de lignina, os valores de conversão de celulose e de xilana alcançaram 85% e 64% no mesmo tempo de hidrólise, respectivamente. Os resultados mostraram que existe uma correlação inversa entre o teor de lignina e a conversão de polissacarídeos e que a remoção de 60% da lignina confere níveis elevados de hidrólise. Para reduzir a inibição pelos produtos de hidrólise da celulose, foi adicionada β-glicosidase ao meio reacional. Com a adição dessa enzima, os bagaços mais deslignificados alcançaram 100% de conversão de celulose e 82% de xilana, com 48 horas de hidrólise. No presente trabalho, o efeito da lignina não ligada aos polissacarídeos também foi avaliado. Para isso, lignina de bagaço de cana foi adicionada ao cartão de celulose, e este foi submetido à hidrólise enzimática. Não houve diferença entre os níveis de hidrólise na presença e ausência de lignina, indicando que a lignina limita a hidrólise dos polissacarídeos quando ligada a eles. Foi utilizada a técnica de microespectrofotometria ultravioleta para detectar a lignina e os ácidos hidroxicinâmicos em fibras, vasos e células de parênquima das regiões de córtex e de medula, deslignificados e controle. Os espectros UV dos três tipos celulares mostraram bandas em 278 nm, associada à lignina, e em 315 nm, associada aos ácidos hidroxicinâmicos. Os vasos foram os tipos celulares mais lignificados, seguidos pelas fibras e células parenquimatosas. O tratamento com clorito causou uma rápida remoção dos ácidos hidroxicinâmicos das células de parênquima, enquanto que as fibras foram deslignificadas apenas com 4 horas de tratamento. As amostras de córtex e de medula também foram submetidas à hidrólise com celulases. A região de medula não tratada foi prontamente hidrolizada, alcançando 63% de conversão de celulose com 72 horas, enquanto que o córtex não tratado atingiu apenas 20%. O tratamento com clorito de sódio não aumentou os níveis de hidrólise da medula. No entanto, a remoção de lignina do córtex aumentou consideravelmente a conversão. / The sugarcane bagasse is a material rich in cellulose, wich can be enzymatically converted into glucose by the action of cellulases. However, in the bagasse, it is associated to hemicellulose and lignin, components that limit its enzymatic digestibility. Lignin is the main limitant of the enzymatic hydrolysis of cellulose, reducing the accessibility of cellulases. Hemicellulose also limits the cellulase action and the presence of the hydroxycinnamic acids, as ferulic and coumaric, contribute to reduce the hydrolysis levels. In this work, the sugarcane bagasse was treated with acid sodium chlorite, aiming to selective remove the lignin and produce models with lower contents of this component. The control bagasse had 22.8% of lignin and after a 4-hour delignification, materials with up to 6.8% of lignin were obtained, retaining the cellulosic and hemicellulosic fractions almost unchanged. The bagasses were submitted to the enzymatic hydrolysis with comercial cellulases. Only 26% of the cellulose of the control bagasse were converted into glucose and 11% of the xylan were converted into xylose, with 72 hours of hydrolysis. In the bagasses with lower lignin content, the cellulose and xylan conversion values reached 85% and 64% in the same time of hysylysis, respectively. The results showed that there is an inverse correlation between the lignin content and the enzymatic conversion of polysaccharides and that the removal of 60% of the lignin results in high levels of hydrolysis. To reduce the inhibition by the products of the cellulose hydrolysis, β- glucosidase was added to the reaction medium. With this enzyme, the most delignified bagasses reached 100% of cellulose and 82% of xylan convertion, with 48 hours of hydrolysis. In this work, the effect of non-linked lignin was also analysed. For this, sugarcane bagasse lignin was added to cellulose card, and it was submitted to the enzymatic hydrolysis. There were no differences between the hydrolysis levels in the presence or absence of lignin, suggesting that lignin only limits hydrolysis when linked to the polysaccharides. The ultraviolet microspectrophotometry technique was used to detect lignin and hydroxycinnamic acids in fiber, vessels and parenchyma cells in rind and pith regions, delignified and control. The UV spectra of the three cell types showed bands in 278 nm, related to lignin, and 315 nm, related to the hydroxycynamic acids. The vessels were the most lignified cell type, followed by fibers and parenchyma cells. The chlorite treatment caused a rapid removal of hydroxycynnamic acids from parenchyma cell walls, while fibers where delignified only with a 4-hour treatment. The rind and pith samples were also submitted to enzymatic hydrolysis. The untreated pith region was promptly hydrolysed, reaching 63% of cellulose convertion in 72 hours, while untreated rind reached only 20%. The sodium chlorite treatment did not enhance the pith hydrolysis levels. However, the lignin removal in rind samples substantially enhanced the conversion.

Made available in DSpace on 2017-07-10T19:24:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Maria Cristina Halmeman.pdf: 1179833 bytes, checksum: 64bd1e15425a905c181f5233403e74a0 (MD5) Previous issue date: 2008-02-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The object of this project was to verify the potential for the hydrogen production via water electrolysis by using the exceeding electrical energy resulting from the cogeneration process in alcohol and sugar plants. The studies were made from July to November/2007 in plants authorized by the ANEEL that use the sugar cane bagasse as fuel for the generation of thermal and electrical energy. The data were taken from each plant. The processing history of sugar cane for the last five years was verified and the calculations were made based on the values of the 2006/2007 harvest. The operation time of the plants was considered to be 202 days in average. The amount of sugar cane processed daily and the total of bagasse produced, electrical energy generated in a year and exceeding electrical energy were calculated for each plant. Along with the cost of the electrolysers, it was also obtained the energy consumption average value of 5.2 kWh to produce 1 Nm3 of hydrogen and a specific cost for the electrolysis plant that ranges from US$ 1,555 kW-1 to US$ 2,510 kW-1. The hydrogen production costs regarding the capacity of hydrogen production range from US$ 0.50 Nm-3 to US$ 0.75 Nm-3. The results show an increasing potential for the generation of exceeding electrical energy that can be used for the production of electrolytic hydrogen, since the costs for hydrogen production presented themselves to be similar to the ones found in other studies carried out, however, using other energy sources. / O objetivo deste trabalho foi verificar o potencial de produção de hidrogênio via eletrólise da água, aproveitando a energia elétrica excedente, resultante do processo de cogeração nas usinas de açúcar e álcool. O estudo foi realizado no período de julho a novembro de 2007, em usinas autorizadas pela ANEEL que utilizam o bagaço da cana-de-açúcar como combustível, para gerar energia térmica e elétrica. Os dados foram obtidos em cada usina. Verificou-se o histórico do processamento da cana-açúcar nos últimos cinco anos, sendo que os cálculos foram realizados com base nos valores da safra de 2006/2007. Considerou-se que o tempo de operação das usinas é, em média, 202 dias e foram calculados para cada usina: a quantidade de cana processada diariamente e o total de bagaço gerado, a energia elétrica gerada no ano e energia elétrica excedente. Com o custo dos eletrolisadores, obteve-se o valor médio de consumo de energia de 5,2 kWh para produzir 1 Nm3 de hidrogênio e o custo específico da planta de eletrólise de US$ 1,555 kW a US$ 2,510 kW. Os custos de produção do hidrogênio em função da capacidade de produção de hidrogênio são de US$ 0,50 Nm-3 a US$ 0,75 Nm-3. Os resultados apontaram que há um crescente potencial de geração de energia elétrica excedente que pode ser usada para produção de hidrogênio eletrolítico, visto que os custos de produção do hidrogênio apresentaram-se próximos aos encontrados em outros estudos realizados, porém utilizando-se outras fontes de energia.

Xilitol é um açúcar-álcool com propriedades de interesse para as indústrias alimentícia, odontológica e farmacêutica. É tradicionalmente produzido em processo químico, sendo que a via fermentativa é a forma mais extensivamente estudada, entretanto, ainda possui limitações técnicas. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo determinar condições de obtenção de xilitol por via enzimática utilizando a enzima xilose redutase de Candida guilliermondii FTI 20037. Numa primeira etapa, esta enzima foi produzida e pré-purificada e em seguida foi realizada a seleção do sistema de regeneração enzimática in situ de coenzima NADPH. Foram considerados sistemas hipotéticos com formato desidrogenase, glicose desidrogenase e álcool desidrogenase, sendo determinado o efeito dos possíveis substratos e produtos sobre a xilose redutase pré-purificada. O sistema de regeneração escolhido foi o que utilizou a enzima glicose desidrogenase, sendo o substrato glicose e o produto gluconato. Em seguida, foi realizada a avaliação e seleção de variáveis do processo enzimático segundo planejamento fatorial fracionado 25-1. Foi avaliada a influência da concentração de xilose, de NADPH e de glicose, a carga de xilose redutase e de glicose desidrogenase sendo que a variável resposta foi considerada a produtividade volumétrica em xilitol. As duas variáveis selecionadas para otimização foram a concentração de xilose e de NADPH. Para a otimização do processo de produção de xilitol em meio sintético sob regime de batelada empregou-se um planejamento composto central rotacional (estrela) 22. A partir dos resultados pode-se construir um modelo quadrático que relacionou a produtividade com os fatores na região de estudo. De acordo com este modelo, a melhor condição operacional resulta em alto valor de produtividade e eficiência em xilitol, 1,68 g.l-1.h-1 e 100 %, respectivamente. Visando a viabilidade econômica do processo foram avaliadas membranas de ultra e nanofiltração para retenção das enzimas e coenzimas no sistema reacional. Foi constatado que a membrana de tamanho de poro de 1 kDa permitiu a retenção de 99 % da coenzima. Adicionalmente, foi avaliado o desempenho da enzima obtida a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar, comparando-se os resultados obtidos com aquela obtida pelo cultivo da levedura em meio baseado em xilose comercial. Foi comprovado que a fonte de carbono não teve efeito sob a produção enzimática de xilitol. Finalmente, foram realizados testes preliminares com a produção enzimática de xilitol em meio de hidrolisado de bagaço de canade- açúcar. Foi observado que a produção de xilitol não se alterou com meio contendo 20 e 40 % v.v-1 de hidrolisado. Em função dos resultados, foi concluído que a produção enzimática de xilitol é tecnicamente viável e que possui grande potencial como bioprocesso para aproveitamento de bagaço de cana-de-açúcar. / Xylitol is a sugar-alcohol with proven interesting properties for food, odontological and pharmaceutical industries. It is traditionally produced in chemical process and the fermentative way, the most extensively studied alternative, nevertheless, still has disadvantages. In this context, the present work has as objective to determinate optimal conditions for xylitol attainment by enzymatic way using xylose redutase from Candida guilliermondii FTI 20037. Firstly, xylose redutase was produced, pre-purified and then the selection of an in situ enzymatic regeneration of coenzyme NADPH was carried out. Hypothetical regeneration systems were considered: formate dehydrogenase, glucose dehydrogenase and alcohol dehydrogenase, being determined the effect of the possible substrates and products under pre-purified xylose redutase. The glucose dehydrogenase regeneration system, being glucose the substrate and gluconate the product. Afterwards, it was carried out the screening and evaluation of the enzymatic process variables according to a fractioned factorial design 25-1. It was evaluated the influence of xylose, NADPH and glucose concentrations, xylose reductase and glucose dehydrogenase loads using xylitol volumetric productivity as response. Xylose and NADPH concentrations were selected for further optimization. A rotational central composite design (star) 22 was used for optimization of xylitol enzymatic process in synthetic media under batch regime. From the results, a quadratic model could be elaborated which relates the productivity with the factors in the studied region. According to this model, the best operational condition resulted in high productivity and efficiency values, 1,68 g.l-1.h-1 and 100 %, respectively. Aiming economical viability of the process, ultra and nanomembranes were studied for coenzyme and enzymes retention. It was verified that the 1 kDa cut off membrane allowed 99 % retention of the coenzyme. Additionally, it was evaluated the enzyme performance produced from sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate, comparing the results attained with the enzyme produced from synthetic media. It was evidenced that the carbon source did not affected xylitol enzymatic production. Finally, xylitol enzymatic production preliminary assays were carried out using media containing sugarcane bagasse hydrolysate. It was observed that xylitol enzymatic production was not altered when compared to the control, in the experiments media containing 20 and 40 % v.v-1 hydrolysate. Based on the results, it was concluded that xylitol enzymatic production is technically viable and has great potential as a bioprocess for sugarcane bagasse use as raw material.

Este trabalho teve como objetivo contribuir para o desenvolvimento de um processo de destoxificação biológica do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar utilizando as leveduras Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 e Issatchenkia orientalis CCTCC M 206098. Com este propósito, foi realizado testes com diferentes concentrações de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar e diferentes condições experimentais para avaliar a influência do fator de concentração e pH inicial do hidrolisado, temperatura e agitação do sistema, na eficiência da redução na concentração de compostos inibidores presentes no hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar, sem a redução na concentração de açúcares. As leveduras avaliadas apresentaram os maiores valores de redução na concentração dos inibidores e uma menor perda de açúcares quando utilizado o hidrolisado com fator de concentração 5. Nestes experimentos foram constatados que o aumento na concentração de D-glicose e D-xilose favoreceram o menor consumo destes açúcares por estas leveduras. Foi observado também que após 24 h de ensaio empregando a levedura I. occidentalis a redução na concentração de siringaldeído (66,67%) e ácido ferúlico (73,33%) foi maior quando destoxificado o hidrolisado concentrado. Entretanto, nestas mesmas condições ao empregar a levedura I. orientalis foi verificado uma redução maior na concentração de 5-hidroximetilfurfural (80%) e furfural (56,25%). Com base no potencial de redução destes compostos inibidores em hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar concentrado, foram realizados estudos para avaliar a influência do pH inicial do hidrolisado (4,0 a 7,0), temperatura (23 a 37°C) e agitação do sistema (100 a 300 rpm) na porcentagem de redução da concentração do total de inibidores, utilizando um planejamento fatorial 23 com 3 repetições no ponto central. De acordo com os resultados, verificou-se que independente do microrganismo utilizado como agente destoxificante do hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar a maior porcentagem de redução na concentração dos inibidores totais foi obtida ao empregar todos os fatores avaliados em seus níveis inferiores. Os resultados obtidos neste trabalho demonstraram o potencial das leveduras Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 e Issatchenkia orientalis CCTCC M 206098 como agentes destoxificantes de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar. / This work had as the main objective contribute for the development of a biological detoxification of sugarcane bagasse hydrolysate using the Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 and Issatchenkia orientalis CCTCC M 206098 yeasts. With this aim, it was done tests with hemicellulosic hydrolysate of sugarcane bagasse in different concentrations and different experimental conditions to evaluate the influence of the hydrolysate concentration, icicial pH of the hydrolysate, temperature and system agitation, on the efficiency of concentration reduction of inhibitory compound present in the sugarcane bagasse hydrolysate, without sugar concentration reduction. The evaluated yeasts showed more redutction values on the the inhibitors concentration and less sugar losses when it was used the hydrolysate five fold concentrated. At these experimets it was found that the concentration rise of D-glucose and D-Xylose favored a lower sugar consumption by the yeasts. It was also observed that after 24 h of experiment using I. occidentalis yeast the reduction of syringaldehyde concentraction (66,67%) and ferulic acid concentration (73,33%) was higher when the concentrated hydrolysate was detoxified. However, under the same conditions using I. orientalis it was observed a higher reduction on the 5-hydroxymethylfurfural (80%) and furfural (56,25%). Based on the potential reducion of these inhibitors in concentrated sugarcane bagasse hydrolysate, it was performed studies to evaluate the influence of initial pH (4,0 or 7,0), temperature (23 to 37°C) and system agitation (100 to 300 rpm) on the reduction percentage of total inhibitors concentration, using a factorial experimental design 23 with three repetitions in the central point. According to the results, it was observed that independent of the microrganism used as detoxificant agent of the sugarcane bagasse hydrolysate, the largest reduction percentage of the total inhibitors concentration was obtained using all the factors evaluated in their low levels. The results obtained in this work showed the potential of the yeasts Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 and Issatchenkia orientalis CCTCC M 206098 asdetoxificant agent of hemicellulosic hydrolysate of sugarcane bagasse.

Made available in DSpace on 2017-05-12T14:47:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Maria Cristina Halmeman.pdf: 1179833 bytes, checksum: 64bd1e15425a905c181f5233403e74a0 (MD5) Previous issue date: 2008-02-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The object of this project was to verify the potential for the hydrogen production via water electrolysis by using the exceeding electrical energy resulting from the cogeneration process in alcohol and sugar plants. The studies were made from July to November/2007 in plants authorized by the ANEEL that use the sugar cane bagasse as fuel for the generation of thermal and electrical energy. The data were taken from each plant. The processing history of sugar cane for the last five years was verified and the calculations were made based on the values of the 2006/2007 harvest. The operation time of the plants was considered to be 202 days in average. The amount of sugar cane processed daily and the total of bagasse produced, electrical energy generated in a year and exceeding electrical energy were calculated for each plant. Along with the cost of the electrolysers, it was also obtained the energy consumption average value of 5.2 kWh to produce 1 Nm3 of hydrogen and a specific cost for the electrolysis plant that ranges from US$ 1,555 kW-1 to US$ 2,510 kW-1. The hydrogen production costs regarding the capacity of hydrogen production range from US$ 0.50 Nm-3 to US$ 0.75 Nm-3. The results show an increasing potential for the generation of exceeding electrical energy that can be used for the production of electrolytic hydrogen, since the costs for hydrogen production presented themselves to be similar to the ones found in other studies carried out, however, using other energy sources. / O objetivo deste trabalho foi verificar o potencial de produção de hidrogênio via eletrólise da água, aproveitando a energia elétrica excedente, resultante do processo de cogeração nas usinas de açúcar e álcool. O estudo foi realizado no período de julho a novembro de 2007, em usinas autorizadas pela ANEEL que utilizam o bagaço da cana-de-açúcar como combustível, para gerar energia térmica e elétrica. Os dados foram obtidos em cada usina. Verificou-se o histórico do processamento da cana-açúcar nos últimos cinco anos, sendo que os cálculos foram realizados com base nos valores da safra de 2006/2007. Considerou-se que o tempo de operação das usinas é, em média, 202 dias e foram calculados para cada usina: a quantidade de cana processada diariamente e o total de bagaço gerado, a energia elétrica gerada no ano e energia elétrica excedente. Com o custo dos eletrolisadores, obteve-se o valor médio de consumo de energia de 5,2 kWh para produzir 1 Nm3 de hidrogênio e o custo específico da planta de eletrólise de US$ 1,555 kW a US$ 2,510 kW. Os custos de produção do hidrogênio em função da capacidade de produção de hidrogênio são de US$ 0,50 Nm-3 a US$ 0,75 Nm-3. Os resultados apontaram que há um crescente potencial de geração de energia elétrica excedente que pode ser usada para produção de hidrogênio eletrolítico, visto que os custos de produção do hidrogênio apresentaram-se próximos aos encontrados em outros estudos realizados, porém utilizando-se outras fontes de energia.