Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / In this work, methylcellulose (MC) was produced from sugarcane bagasse cellulose by heterogeneous route in alkaline medium, according to two methodologies: i) reaction with DMS, successive exchange of reagents and a step of mercerization and ii) reaction with iodomethane in two steps of mercerization. The synthesized methylcelluloses and a commercial methylcellulose sample, used as standard, have been evaluated as admixtures for adhesive mortars in civil construction by 2 methods, being added as a suspension in water (method 1) and in the powder form, dispersed in the mortar during its preparation (method 2). One of the main points of innovation of this study was to apply the polymers as a powder during mortar preparation, so that it approaches the commercial adhesive mortars, which consist of mixtures pre-dosed powder. In this study, methylcellulose produced using DMS (MCD), iodomethane (MCI) and commercial methylcellulose (MCC) were characterized according to their degree of substitution (DS) by chemical route, by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-Ray Diffraction (XRD), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA) and viscosity measurements. The modifications observed in the FTIR spectra showed the efficiency of methylation processes using DMS and iodomethane. The samples showed differences in water solubility, MCI was more soluble, and related to the crystallinity, the MCD presented more crystalline pattern and MCI more amorphous. The MCD was more thermally stable. The adhesion of mortars prepared by method 1 was close to the values obtained for reference mortar, particularly only to the MCD sample that increased by about 28% compared to reference. For the mortars produced by method 2, the direct addition of polymers effectively changed the properties of mortars, especially in relation to the adhesion, that increased by approximately 23% to mortar containing MCI, about 70% for MCD and 20% for MCC. It is observed that MCD samples perform best in all tests, this may be related to the higher DS for this sample, which favors the gel formation and the water retention, making the mortar more viscous and \"sticky\", altering the interactions between mortar and substrate and increasing the adhesion. / Neste trabalho, a metilcelulose (MC) foi produzida a partir da celulose extraída do bagaço de cana-de-açúcar pela rota heterogênea em meio alcalino. Foram empregadas duas metodologias de síntese: i) reação com sulfato de dimetila (DMS), troca sucessiva de reagentes e uma etapa de mercerização e ii) reação com iodometano e duas etapas de mercerização. As amostras de MC produzidas e uma amostra de MC comercial, utilizada como padrão, foram avaliadas como aditivos para argamassas colantes na construção civil por 2 métodos, sendo adicionadas às argamassas como uma suspensão em água (método 1) e na forma de pó, disperso diretamente na argamassa durante sua preparação (método 2). Um dos principais pontos de inovação deste trabalho foi a aplicação dos polímeros na forma de pó durante a preparação das argamassas, forma essa que se aproxima das argamassas colantes comerciais que consistem em misturas pré-dosadas em pó. Neste estudo, as amostras de metilcelulose produzidas usando DMS (MCD), iodometano (MCI) e a amostra de metilcelulose comercial (MCC) foram caracterizadas quanto ao seu Grau de Substituição (GS) por via química, pelas técnicas de Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), Difratometria de Raios-X (DRX), Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Análise Termogravimétrica (TGA), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e por medidas de viscosidade. As modificações observadas nos espectros de FTIR mostraram a eficiência dos processos de metilação usando DMS e iodometano. As amostras apresentaram diferenças quanto à solubilidade em água, sendo a amostra MCI mais solúvel, e quanto à cristalinidade, a MCD apresentou um padrão mais cristalino e a MCI mais amorfo. A amostra MCD apresentou a maior estabilidade térmica. A adesão das argamassas preparadas pelo método 1, foi próxima dos valores da argamassa de referência, com destaque apenas para a MCD que apresentou aumento de cerca de 28%. Para as argamassas produzidas pelo método 2, a adição direta dos polímeros modificou efetivamente as propriedades das argamassas, principalmente em relação à aderência, que aumentou cerca de 23% para a argamassa com MCI, 70% para MCD e 20% para MCC. A amostra MCD apresentou o melhor desempenho em todos os ensaios, fato que pode estar relacionado ao seu maior GS, que favorece a formação de gel e a retenção de água pela argamassa, tornando-a mais viscosa e pegajosa , alterando as interações da argamassa com o substrato e consequentemente, aumentando a aderência. / Doutor em Química

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In the present dissertation, the synthesis and characterization of cellulose acetate membranes as well as cellulose acetate and polystyrene blends, were studied. Recycled materials were used to produce the blends. Cellulose acetate (CA) was produced from sugarcane bagasse, and waste plastic cups were used as polystyrene (PS) source. Blends, produced with different CA/PS ratios, were characterized regarding the miscibility of their components. The techniques utilized for membrane characterization were Fourier Transform Infrared Spectrometry (FTIR), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA), Scanning Electron Microscopy (SEM) and measurements of water diffusion through the membranes. The results confirmed the existence of miscibility microregions in the blends and indicated a region of transition when 30% PS was used, indicating a limit for a possible phase inversion between the matrix and the disperse phase. The membranes were also characterized regarding their properties of water flux, PEG rejection (utilizing an aqueous solution 1% w/v of polyethylene glycol, PEG, 45 kDa and 80 kDa) and ion diffusion by dialysis. The experiment of ion diffusion by dialysis showed that the coefficients of ion diffusion of both the pure CA and the CA/PS blends were comparable to previously reported values for commercial cellulose triacetate membrane. These results showed that the membrane produced from recycled materials, sugarcane bagasse and polystyrene cups, behaves likewise the commercial material. Regarding permeation driven by difference of pressure, 12% w/w membrane showed the best performance and rejected 27% PEG 80 kDa. These preliminary results showed that this membrane should be better evaluated in the range of application comprehending ultrafiltration or microfiltration processes. / Nesta dissertação estudou-se a síntese e caracterização de membranas de acetato de celulose e blendas de acetato de celulose com poliestireno. Foram utilizados materiais reciclados, sendo o acetato de celulose (AC) obtido pela reciclagem do bagaço de cana-de-açúcar, e o poliestireno (PS) de copos plásticos descartados. As blendas, produzidas com diferentes proporções de AC/PS, foram caracterizadas quanto a miscibilidade dos seus componentes. As técnicas utilizadas foram a Espectrometria de Infravermelho com Transformada de Fourrier (FTIR), Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC), Análise Termogravimétrica (TGA), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e medidas de difusão de água através das membranas. Os resultados confirmaram a existência de microrregiões de miscibilidade nas blendas, e também evidenciaram uma região de transição na proporção de 30% de PS, indicando um limite para uma possível inversão de fases entre a matriz e a fase dispersa. As membranas também foram caracterizadas por fluxo de água, rejeição ao PEG (de diferentes massas molares) e difusão de íons por diálise, visando apontá-las para possíveis processos de separação. Os experimentos de difusão de íons por diálise mostraram que o coeficiente de difusão de íons, tanto das membranas de AC puro quanto das blendas AC/PS, foram comparáveis ao valor encontrado na literatura para uma membrana de triacetato de celulose comercial. Estes resultados demonstram que as membranas produzidas a partir de materiais reciclados, bagaço de cana-deaçúcar e copos de poliestireno, apresentaram performance comparável àquela produzida de um material comercial. Com relação ao experimento por diferença de pressão, a membrana de AC 12% mostrou a melhor performance e rejeitou 27 % do PEG 80 kDa. Estes resultados preliminares mostram que esta membrana pode ser indicada para uma melhor avaliação em uma faixa de aplicação que compreende os processos de ultrafiltração e microfiltração. / Mestre em Química

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a study of the use of sugarcane bagasse as an alternative source of cellulose, for obtaining cellulose triacetate (CTA) and consequently production of membranes for use in controlled release system (CRS) of the drugs naproxen (water insoluble) and doxycycline (water soluble). The sugarcane bagasse was delignified from three successive reflux of a mixture 80/20 (v/v) nitric acid concentrated and ethanol, subsequently treated in NaOH solution. From the analysis of Klason Lignin, noted that in delignified bagasse (DB) there was a reduction in lignin content of 98% compared with gross bagasse. CTA produced presented degree of substitution (DS) 2.80 ± 0.09, what classifies as cellulose triacetate (CTA). The formulations used, CTA/dichloromethane/drug and CTA/dichloromethane/water/drug led to the production of symmetric and asymmetric I membranes, respectively. The formulation with the system solvent dioxane/acetone resulted in asymmetric II membranes with pores in thickness and dense surface, morphologies observed from the analysis of scanning electron microscopy (SEM). The results of the thermal analysis showed that there are interactions between drugs and the CTA. The polymeric matrices showed Swelling index (Si) approximately 12%, a result that will influence on the release kinetics of drugs. The content of naproxen released was 8, 50 and 25% from symmetric, asymmetric I and asymmetric II membranes, respectively. Doxycycline presented release content 14% in experiments with symmetric membranes and 80% with asymmetric I membranes. The study of CRS of drugs showed that membrane morphology has great influence on drugs desorption and the release occurs predominantly by diffusion. / Esse trabalho apresenta um estudo da utilização de bagaço de cana de açúcar como fonte alternativa de celulose, para a obtenção de triacetato de celulose (TAC) e consequentemente produção de membranas para o uso em sistema de liberação controlada (SLC) dos fármacos naproxeno (lipossolúvel) e doxiciclina (hidrossolúvel). O bagaço de cana de açúcar foi deslignificado a partir de três refluxos sucessivos de uma mistura 20/80 (v/v) de ácido nítrico concentrado e etanol hidratado, e posteriormente tratado em solução NaOH. A partir da análise de Lignina Klason, observou se que no bagaço deslignificado (BD) houve uma redução no teor de lignina de 98 % em relação ao bagaço bruto. O TAC produzido apresentou grau de substituição 2,80 ± 0,09, classificando-o como triacetato de celulose (TAC). As formulações utilizadas, TAC/diclorometano/ fármaco e TAC/diclorometano/água/ fármaco levaram à produção de membranas simétricas e assimétricas I, respectivamente. A formulação com o sistema solvente dioxano/acetona resultou em membranas assimétricas II com poros na espessura e superfície mais densa, morfologias observadas a partir das análises de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Os resultados da análise térmica mostraram que há interações entre os fármacos e o TAC. As matrizes poliméricas apresentaram Índice de Intumescimento (Ii) de aproximadamente 12 %, resultado que influenciou na cinética de liberação das drogas. O teor do naproxeno liberado foi 8, 50 e 25 % a partir das membranas simétricas, assimétricas I e assimétricas II, respectivamente. A doxiciclina apresentou teor de liberação de 14 % nos experimentos com as membranas simétricas e 80 % com as assimétricas I. O estudo do SLC das drogas mostrou que a morfologia das membranas exerce grande influência na dessorção dos fármacos e a liberação ocorre predominantemente por difusão. / Mestre em Química

Este trabalho teve como objetivo geral estudar a viabilidade técnica de utilizar bagaço de cana como meio reativo de barreiras reativas permeáveis (BRP) para remoção de sulfato e metais de águas subterrâneas contaminadas. O estudo baseou-se em investigação experimental, por meio de ensaios laboratoriais de coluna, e em modelagem matemática, para a qual utilizaram-se também alguns dados obtidos em um estudo de caso de uma unidade industrial contaminada com sulfato e metais. Neste local contaminado, as características hidrogeológicas e topográficas propiciam a utilização de uma barreira reativa permeável como técnica de remediação. Barreiras reativas permeáveis são uma alternativa para remediação de águas subterrâneas que vem progredindo rapidamente na última década, a partir de ensaios de bancada e coluna em laboratório para implementação em escala real em campo. Três colunas bióticas foram montadas utilizando bagaço de cana como meio reativo e um material de base poroso constituído de areia e cascalho para fornecer adequada condutividade hidráulica, com a proporção de 1:28 em massa seca. Também foi adicionado ao meio reativo um inóculo bacteriano composto por esterco bovino dissolvido. Uma quarta coluna, sem inóculo e contendo um agente biocida, compôs o experimento branco (abiótico). Uma solução sintética foi introduzida nas colunas simulando condições da água subterrânea do estudo de caso, com velocidade de Darcy em torno de 2,0x10-7 m/s composta por sulfato e metais (zinco e níquel) com concentrações de 6.000 mg/L e 15 mg/L, respectivamente. Os resultados das análises da fase líquida das colunas bióticas apresentaram: (i) média da taxa de remoção de sulfato durante todo o tempo do experimento de 49 mg/L/dia; (ii) as concentrações de Zn e Ni diminuíram de 15 mg/L para valores não detectáveis pela técnica analítica utilizada (< 0,01 mg/L); (iii) aumento do pH de 5.5-5.8 para valores entre 6,8-8,0; (iv) redução do valor do potencial de óxido redução (Eh) para valores de até -200mV. Não foram observadas reduções das concentrações de metais e sulfato na fase líquida da coluna abiótica e os valores de pH e Eh permaneceram dentro das faixas iniciais. Análises nas fases sólidas das colunas bióticas por MEV e EDS após o término do experimento identificaram a presença de Ni, Zn, S e Mn, indicando a precipitação desses metais em forma de sulfetos. Estes elementos não foram detectados na fase sólida da coluna abiótica. Assim, pôde-se inferir que toda a remoção de sulfato verificada nas colunas bióticas pode ser atribuída a redução bacteriana de sulfato. A partir das condições experimentais dos ensaios, foi realizada a modelagem e o dimensionamento da BRP. Para a estimativa da cinética de redução de sulfato, aplicou-se a solução analítica de Van Genuchten para transporte de contaminantes com degradação, obtendo-se uma taxa de decaimento de primeira ordem de 0,01 dia-1. A determinação da espessura e tempo de residência da barreira foi realizada considerando que a concentração de sulfato na saída da barreira fosse menor ou igual a 250 mg/L. O resultado do dimensionamento de uma BRP preenchida com bagaço de cana e areia nas proporções de 1:28 em massa seca resultaria em uma BRP de 7,1 m de espessura, com tempo de residência de 950 dias, no local de estudo de caso. Caso fosse utilizado o dobro da proporção de bagaço de cana e areia em massa seca (1:14), a implantação da BRP apresentar-se-ia viável, com espessura aproximada de 4 m. Através destes resultados, pôde ser comprovada a hipótese de que bagaço de cana como substrato e esterco bovino como inóculo compõem um meio reativo viável para a redução de sulfato e precipitação de metais em uma BRP. / This research had as general objective to study the technical feasibility of use sugarcane bagasse as reactive medium of permeable reactive barriers (PRB) for removal of sulfate and metals from contaminated groundwater. The study was based on experimental investigation, through laboratory column tests and by mathematical modeling, for which data of a case study of an industrial unit contaminated with sulfate and metals was used. At this contaminated unit, the hydrogeological and topographical features propitiate the utilization of a permeable reactive barrier as remediation technique. Reactive permeable barriers are an alternative to groundwater remediation that comes progressing quickly in the last decade, from bench and column tests in the laboratory to full-scale implementation in the field. Three biotic columns were assembled using bagasse as a reactive medium and a porous base material consisting of sand and gravel to provide adequate hydraulic conductivity, with the proportion of 1:28 by dry mass. It was also added to the reactive medium a bacterial inoculum consisting of dissolved cow manure. A fourth column, without inoculum, and containing a biocidal agent composed the blank experiment (abiotic). A synthetic solution was introduced in columns simulating groundwater conditions of the case study, with Darcy velocity around 2, 0x10-7 m/s, composed by sulfate and metals (zinc and nickel) with concentrations of 6,000 mg/L and 15 mg/L, respectively. The results of the analyses of the liquid phase of the biotic columns showed: (i) the average of sulfate removal rate during all the time of the experiment of 49 mg/L/day; (ii) the concentrations of Zn and Ni decreased from 15 mg/L to non-detectable values by the used analytical technique (0.01 mg/L); (iii) increase in the pH of 5.5-5.8 for values between 6.8-8.0; (iv) reduction in the value of the oxidation-reduction potential (Eh) for values up to -200mV. The reductions were not observed in concentrations of metals and sulfate in liquid phase of abiotic column and the values of pH and Eh remained within the initial tracks. Analyses on solid phases of biotic columns by SEM and EDS after experiment finalization have identified the presence of Ni, Zn, S and Mn, indicating the precipitation of these metals in the form of sulfides. These elements were not detected in the solid phase of the abiotic column. So, it might be inferred that any reduction in sulfate removal biotic columns can be attributed to bacterial sulfate reduction. Base on the experimental conditions of the tests, it was conducted the modeling and PRB dimensioning. For the sulfate reduction kinetics estimation, the analytical solution of Van Genuchten was applied for contamination degradation and transport, obtaining a first-order decay rate of 0.01 day-1. The determination of the thickness and residence time of the barrier was performed considering the concentration of sulfate in the output of the barrier being less than or equal to 250 mg/L. The result of the dimensioning of the PRB filled with bagasse and sand in 1:28 dry mass ratios would result in a PRB of 7.1 m thick, with 950 days residence time on the site of case study. If the proportion of bagasse and sand were 1:14 by dry mass (twice), the deployment of the PRB would be feasible, with approximate thickness of 4 m. Through these results, it might be concluded that the hypothesis that sugarcane bagasse as a substrate and cow manure as inoculum make up a reactive medium viable for the reduction of sulfate and precipitation of metals in a PRB.

Ameaças na sustentabilidade do desenvolvimento mundial em consideração ao aquecimento global, a dependência energética e a demanda exponencial pela produção de alimentos têm levado ao crescente interesse por fontes alternativas renováveis de energia como a biomassa vegetal. Neste cenário, a viabilização do etanol sem competição por terra cultivável a partir do bagaço de cana-de-açúcar (BC) pela rota enzimática é peça chave para a produção integrada e sustentável dos biocombustíveis visando otimização de recursos, redução de resíduos e minimização de impactos ambientais negativos. Entretanto, a sua comercialização precisa ser ainda consolidada através da economicidade nos insumos de hidrólise (enzimas celulases) e de uma maior eficiência na etapa de pré-tratamento da lignocelulose. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo contribuir na redução dos custos de produção celulases utilizando um resíduo característico da indústria brasileira, o BC, para produção de celulases específicas através da tecnologia de fermentação em estado sólido com o microorganismo Aspergillus niger. A proposta desenvolvida consiste em bioprocesso com pré-tratamento hidrotérmico do BC condizente a seu uso como substrato fermentativo, complementação deste substrato com 35% de farelo de soja e meio de suplementação com acréscimo de protéicas, umidade de fermentação de 80% e uso de circulação forçada em bioreator de coluna instrumentado visando o balanço hídrico e térmico do processo. As celulases específicas assim produzidas exibiram atividades de FPase: 0,045; CMCase: 1,10; xilanase: 9,17 e \'beta\'-glicosidase:0,33 UI/mL, e sua ação sinérgica sobre o BC explodido resultou na conversão em açúcares redutores de 15% após 22 horas de hidrólise. A direta aplicabilidade e especificidade do coquetel enzimático produzido mostram a proposta do bioprocesso como uma tecnologia de elevado potencial de integração no modelo de produção de etanol celulósico, anexo a uma usina convencional. Esta alternativa de desenvolvimento a maior escala indica uma oportunidade nacional para o crescimento sustentável na produção de bioetanol e a expansão das vantagens associadas com o uso de biocombustíveis no âmbito mundial. / Threats to sustainability of world development in regards to global warming, energy dependence and the exponential demand for food production have led to growing interest in alternative renewable sources of energy such as biomass. In this context, the viability of ethanol from sugar cane bagasse cane (SCB) by enzymatic pathway, without competition for farmland, is the key for sustainable and integrated biofuels production aiming to optimize resources, waste reduction and negative environmental impacts minimization. However, its commercialization needs to be further consolidated through the economy of hydrolysis enzymes (cellulases) and efficiency improvements in lignocellulosic pre-treatment. Thus, this study aimed to contribute for the reduction of costs in cellulases production using a traditional brazilian industrial waste, the SCB, in order to obtain specific cellulases with the microorganism Aspergillus niger by solid state fermentation. The proposal of bioprocess developed consists of SCB hydrothermal pre-treatment towards to its use as fermentation substrate, complementation of this substrate with 35% of soybean bran and supplementation medium with protein sources addition, moisture fermentation of 80% and use of a column bioreactor instrumented with forced aeration aiming suitable control of water and thermal balance of the process. Thus, specific cellulases produced exhibited activities of FPase = 0.045; CMCase = 1.10; xylanase = 9.17 and -glucosidase = 0.33 IU/mL, and their synergy action over exploded SCB resulted in 15% of reducing sugar conversion after 22 hours of hydrolysis. The direct applicability and specificity of the enzymatic cocktail produced shows the proposed bioprocess as a high potential technology for integration into the production model of cellulosic ethanol, joint to a conventional power plant. This development alternative to larger scale indicates a national opportunity for sustainable growth in bioethanol production and associated benefits expansion with the worldwide use of biofuels.

O xilitol vem se destacando nas áreas alimentícia, odontológica, farmacêutica e médica, além de apresentar significativo potencial de aplicação em outros segmentos industriais (têxteis e químicos). Os benefícios do xilitol abriram as portas para novas áreas de venda além de crescimento no setor de póliols e adoçantes no mercado mundial. O presente trabalho teve como objetivo contribuir para o desenvolvimento de uma tecnologia tecnicamente e economicamente viável para a obtenção de xilitol a partir do hidrolisado hemicelulósico do bagaço de cana-de-açúcar, utilizando biorreator de leito fluidizado com células da levedura Candida guilliermondii FTI 20037 imobilizadas em suporte natural de alginato de cálcio. Para avaliar a viabilidade técnica deste processo biotecnológico, foram realizados fermentações em bateladas simples conforme um planejamento fatorial 23 com três pontos centrais. Em seguida, foi avaliada a influência das variáveis, fluxo de fluidização, fator de concentração do hidrolisado e vazão do ar no fator de rendimento (Yp/s) e na produtividade volumétrica (Qp). Segundo os resultados obtidos, observou-se que apenas o aumento no fluxo de fluidização exerceu uma influência positiva no fator de rendimento e na produtividade do processo. Tal fato é devido a uma melhor transferência de oxigênio do meio para o interior do suporte de imobilização, resultando em maior consumo de xilose e produção de xilitol. O processo biotecnológico utilizado neste trabalho resultou em, uma concentração final de xilitol de 34 g/L a partir de uma concentração inicial de xilose de 49 g/L, um fator de rendimento (Yp/s) de 0,7 g/g (equivalente a 76 % de eficiência de bioconversão) e uma produtividade volumétrica (Qp) de 0,44 g/L.h, após 72h de fermentação. Foram realizados também fermentações em bateladas repetidas com reciclo das células imobilizado, nas condições de fermentação otimizadas e indicadas pela análise estatística realizada. Verificou-se que, o fator de rendimento (Yp/s) e a produtividade volumétrica (Qp) do processo apresentaram pequenas variações ao longo das 6 bateladas repetidas (B1-B6), com uma produção final média de 31,5 g/L de xilitol. Entretanto, a partir da batelada B7 observou-se, uma diminuição de 44 % na concentração final do xilitol produzido (17 g/L) e de 28% no número final de células viáveis imobilizadas (3,4 x1010 mL/cel.) em comparação com as bateladas B1-B6 (valor médio de 4,7x1010 mL/cel.), após 72 h de fermentação. Esta redução no crescimento das células imobilizadas pode ser explicada pela possível difusão e acúmulo de materiais insolúvel proveniente do hidrolisado, ao longo das 7 bateladas remetidas, para o interior do suporte de imobilização propiciando assim limitações na transferência de xilose no meio de fermentação para o interior das células encapsuladas. Com o objetivo de avaliar o custo de produção de xilitol, foi realizado um estudo técnico-econômico para a produção de xarope de xilitol de 80% de pureza, utilizando hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana em uma planta piloto com capacidade de processar 1 tonelada de bagaço. Segundo os resultados obtidos deste estudo, observou-se que este processo biotecnológico para a produção de xilitol mostrou-se economicamente viável com um payback de 24 meses e uma TIR (Taxa interna de retorno) de 51,7%, sendo o preço estimado para a venda do xarope de xilitol no mercado de R$ 211,60. Visando reduzir o custo de venda deste xarope e aumentar a competitividade do xilitol em relação a outros póliols encontrados no mercado, foram sugeridas modificações em algumas etapas do processo realizado neste trabalho (aumento na eficiência da hidrólise para 80% e a utilização de resinas de troca iônica no tratamento do hidrolisado hemicelulósico). O processo modificado resultou em uma redução no preço de venda do xarope de xilitol, sendo este valor estimado a R$ 113,10, correspondendo a apenas 28 % do preço de venda do xilitol cristalizado no mercado interno (R$ 402,50). O processo biotecnológico para a produção de xilitol mostrou-se economicamente promissor para uma futura implantação em nível industrial. / Xylitol is being distinguished for its application in the industries of food, odontology and pharmacy; furthermore, it presents a potential use in other industrial segments (textiles and chemicals). The different benefits of xylitol will open doors for new selling areas which will lead to its growth in the international market of polyols and alternative sweeteners. The present work had as an objective the contribution in the development of a technically and economically viable technology for the production of xylitol starting from the hemicellulosic hydrolysate of sugarcane bagasse, using a fluidized bed bioreactor with yeast cells of Candida guilliermondii FTI 20037 immobilized in a natural support of calcium alginate. To evaluate the technical viability of this biotechnological process, they were realized simple batch fermentations according to a factorial design 23 with three central points. Furthermore, it was evaluated the influence of the variables, fluidization flux, hydrolysate concentration factor and air flux in the process yield (Yp/s) and volumetric productivity (Qp). According to the obtained results it was observed that, only an increase in the fluidizations flux exercised a positive influence in process yield and volumetric productivity. This fact is due to a better oxygen transfer to the inside of the immobilization support, resulting in a higher xylose consumption and xylitol production. The biotechnological process used in this work resulted in, a final concentration of xylitol of 34 g/L starting from an initial concentration of xylose of 49 g/L, a yield (Yp/s) of 0.7 g/g (corresponding to 76 % of bioconversion efficiency) and a volumetric productivity (Qp) of 0.44 g/L.h, after 72h of fermentation. Also they were realized repeated batch fermentations with the recycle of the immobilized cells, using the optimized fermentation conditions as indicated by the statistical analysis previously done. It was verified that, the yield (Yp/s) and the volumetric productivity (Qp) of the process have presented small variations throughout the 6 repeated batch fermentations (B1-B6), with an average final production of 31,5 g/L of xylitol. On the other hand, at the end of the batch fermentation B7 it was observed a decrease of 44% in the final concentration of the produced xylitol (17 g/L) and 28% in the final number of viable immobilized cells (3.4 x1010 mL/cells) in comparison with the batch fermentations B1-B6 (average value of 4.7x1010 mL/cells), after 72h of fermentation. This reduction in the growth rate of the immobilized cells can be explained by the possible diffusion and accumulation of insoluble substances originating from the hemicellulosic hydrolysate, during the 7 repeated batch fermentations, into the interior of the immobilization support resulting in limitations in xylose transference from the fermentation medium into the encapsulated cells. With the objective to evaluate the production cost of xylitol, it was realized a technicaleconomical study for the production of a xylitol syrup with 80% of purity, using hemicellulosic hydrolysate from sugarcane bagasse in a pilot plant with the capacity to process 1 tons of bagasse. According to the results obtained in this study, it was observed that the biotechnological process for xylitol production has shown to be economically viable with a payback period of 24 months and a TIR of 51. 7%, considering that the selling price of xylitol syrup (80% of purity) was estimated to be R$ 211.60 in the internal market. Aiming to reduce the selling cost of xylitol syrup and increase its competitiveness in relation to other polyols found in the market, they were suggested modifications in some stages of the process used in this work (increase in the hydrolysis efficiency to 80% and the utilization of ionic exchange resins in the treatment of the hemicellulosic hydrolysate). The modified process resulted in a reduction in the selling price of xylitol syrup, being this value estimated in R$ 113.10 corresponding to only 28% of the selling price of crystallized xylitol in the internal market (R$ 402.50). The biotechnological production of xylitol has shown to be economically promising for future implantation at industrial level.

Os fungos de decomposição parda são eficientes na degradação dos polissacarídeos da madeira, pois, além das enzimas hidrolíticas, podem gerar, via reação de Fenton, radicais hidroxila que são responsáveis pela rápida despolimerização dos polissacarídeos da parede celular sem a remoção prévia da lignina. O presente trabalho analisou se enzimas hidrolíticas do fungo de decomposição parda Gloeophyllum trabeum e as endoglucanases comerciais do ascomiceto Talaromyces emersonii apresentam efeito sinérgico com celulases comerciais durante a hidrólise enzimática de substratos com teor elevado de lignina. Os substratos em questão corresponderam a bagaço de cana pré-tratado por um processo quimiomecânico que emprega sulfito alcalino. Dois níveis de tratamento foram obtidos a partir de cargas diferenciadas de sulfito de alcalino. A carga mais elevada foi de 10 g de Na2SO3 e 5 g de NaOH para cada 100g de bagaço e gerou um substrato de baixa recalcitrância. O emprego de uma carga de sulfito alcalino diminuída à metade da carga anterior gerou um substrato de elevada recalcitrância. Para viabilizar a execução dos experimentos utilizando pequenas quantidades de enzima, foi desenvolvido um método de hidrólise em pequena escala empregando bagaço de cana pré-tratado com sulfito alcalino como substrato. O método em questão empregou 20 mg de substrato e 1 mL de volume final de reação gerando dados com boa reprodutibilidade e níveis de conversão de celulose e xilana similares aos observados em ensaios tradicionais que empregam 1 g de substrato e 50 mL de meio reacional. O fungo G. trabeum foi cultivado com 7 diferentes fontes de carbono, sendo detectada a atividade de endoglucanase em todos os meios e alcançando níveis mais elevados nos cultivos com carboximetilcelulose, que foi, portanto, utilizado para produção das enzimas de G. trabeum. Um extrato de cultivo de G. trabeum foi parcialmente purificado, gerando um extrato com 2,16 UI de endoglucanases/mL e um teor de proteínas de 1,34 mg/mL. O uso das enzimas de G. trabeum e de T. emersonii em misturas com a Celluclast foi baseado nas cargas de endoglucanases totais, visto que a atividade em papel de filtro não foi detectável nos dois complexos enzimáticos. Para as reações de hidrólise do substrato que apresentava baixa recalcitrância, as conversões máximas de celulose e xilana foram da ordem de 80% após 72h de reação com cargas de endoglucanases de Celluclast de 120 UI/g de substrato. A mistura de enzimas que empregaram metade desta carga de endoglucanase advinda de Celluclast e outra metade de extratos de G. trabeum proporcionaram eficiências de hidrólise similares às obtidas com a mesma carga advinda somente de Celluclast. No caso da suplementação das misturas com endoglucanases de T. emersonii, as eficiências de hidrólise foram menores do que aquelas obtidas somente com Celluclast. As reações de hidrólise do substrato de elevada recalcitrância proporcionaram conversões de celulose e xilana máximas da ordem de 50% quando se empregou Celluclast como fonte de enzimas. A suplementação de parte das endoglucanases desta preparação por endoglucanases provenientes do extrato de G. trabeum ou de T. emersonii não favoreceram a hidrólise dos polissacarídeos presentes no substrato. / Brown-rot fungi can degrade wood polysaccharides in an efficient manner because they produce hydrolytic enzymes and also hydroxyl radicals via Fenton reaction. These systems are responsible for a rapid polysaccharide depolymerization without previous lignin removal from the wood cell walls. The present work evaluated the hydrolytic enzymes produced by the brown-rot fungus Gloeophyllum trabeum and by the ascomycete Talaromyces emersonii in mixtures with commercial cellulases to hydrolyze lignin-rich substrates. The evaluated substrates were sugar cane bagasse pretreated in a chemithermomechanical process that used alkaline sulfite in the reaction media. Two levels of pretreatment were employed by using varied loads of chemicals during the cooking step. A low recalcitrance material was prepared by pretreating the sugar cane bagasse with 10 g of Na2SO3 and 5 g of NaOH per 100g of sugar cane bagasse. Using the half of this chemical loading resulted in a second substrate that was more recalcitrant. A small scale enzymatic hydrolysis procedure was set to permit the use of low enzymes dosage in the polysaccharide hydrolyses studies. This procedure used only 20 mg of lignocellulosic substrate in 1 mL of final reaction volume. Data obtained for cellulose and xylan conversion presented good reproducibility and average conversion values very similar to that obtained in traditional experiments that use 1 g of substrate in 50 mL of reaction medium. G. trabeum was cultured in 7 different carbon sources and endoglucanase activities were detected in all cases. The highest endoglucanases levels were obtained in cultures with carboxymethylcellulose as carbon source. One culture extract from this fungus was partially purified yielding a purified extract with 2.16 IU of endoglucanases/mL and a protein content of 1.34 mg/mL. The use of the enzymes from G. trabeum and T. emersonii extracts in mixtures with commercial Celluclast was based on the total loads of endoglucanases, since filter paper activities were not detectable in the extracts obtained from the studied fungi. Cellulose and xylan from the low recalcitrance substrate were converted at yields of 80% after 72 h of hydrolysis by Celluclast loaded at 120 UI of endoglucanases/g de substrate. Using enzyme mixtures with the same endoglucanase dosage but divided in 50% from Celluclast and 50% from G. trabeum extract yielded almost the same hydrolysis efficiency. In the case of the enzyme mixtures in which the extract from T. emersonii was used instead the extract from G. trabeum the hydrolysis efficiency was lower than that obtained by the treatment with Celluclast only. Cellulose and xylan from the low recalcitrance substrate were converted at yields of 50% after 72 h of hydrolysis by Celluclast. The replacement of this endoglucanase load with endoglucanases from G. trabeum or T. emersonii extracts resulted in lower hydrolysis efficiency.

Atualmente é grande o interesse pelo aproveitamento da biomassa vegetal visando à obtenção de bioetanol de segunda geração. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a produção de etanol de segunda geração a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar pelas leveduras Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 e Candida shehatae UFMG HM 52.2 visando à aplicação em bioprocessos com campo eletromagnético. Salienta-se ainda que a importância do presente trabalho se dá, não apenas pelo caráter inovador desta pesquisa, mas também pelo fato do bioeletromagnetismo e particularmente biorreatores assistidos por campos eletromagnéticos constituírem uma recente e promissora área de pesquisa na biotecnologia onde é possível estudar alternativas que resultem no aumento do rendimento e/ou da produtividade do processo de fermentação. Numa primeira etapa, foram realizados experimentos em bateladas simples em meio contendo hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar previamente destoxificado e suplementado com extrato de levedura para a avaliação da influência das variáveis pHinicial, agitação e vazão de ar no fator de conversão de açúcares em etanol para cada uma das leveduras, de acordo com um planejamento fatorial completo 23 com três repetições no ponto central. As melhores condições operacionais obtidas para a levedura S. stipitis NRRL Y-7124 foram 100 rpm, 0,7 vvm e pHinicial de 6,50 com um kLainicial de 3 h-1 as quais exerceram uma influência positiva sobre o processo fermentativo, obtendo-se valores de YP/S de 0,16 g/g e QP de 0,10 g L-1 h-1. Para a levedura C. shehatae UFMG HM 52.2 as condições foram 100 rpm, 0,1 vvm e pHinicial de 6,50 com um kLainicial de 0,2 h-1 obtendo-se valores de YP/S de 0,44 g/g e QP de 0,25 g L-1 h-1. Segundo os resultados obtidos, observou-se que a levedura C. shehatae apresentou maiores valores de fator de rendimento e produtividade em etanol quando comparados à levedura S. stipitis. Posteriormente, foi avaliada a influência da configuração do campo eletromagnético no processo de fermentação de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar empregando a levedura C. shehatae imobilizada em polímero com propriedades magnéticas. Os resultados da influência das configurações do campo eletromagnético (axial e transveral) foram positivos observando-se aumento de 47 % na produção de etanol (configuração axial) em relação ao experimento controle (sem campo). Este estudo demonstrou que a levedura C. shehatae UFMG HM 52.2 apresentou-se com melhor performance fermentativa no hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar quando comparada à levedura S. stipitis e que os campos eletromagnéticos são uma tecnologia promissora no processo de obtenção de bietanol. / Currently the use of biomass is of huge interest into the second generation bioethanol process. Into this field, fermentation is a key process with numerous opportunities for innovation. Electromagnetic fields bioreactors stand for a new and promising research area for the yield and/or productivity improvement of fermentation process. This study focused on the utilization of hemicellulose hydrolysate from sugarcane bagasse for ethanol production by Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 and Candida shehatae UFMG HM 52.2 strains intended to be applied in the electromagnetic-based bioprocesses. A 23 full factorial Central Composite Design (CCD), including three replications at the center point was applied to evaluate the effect of initial pH, agitation and air-flow rate on sugars to ethanol conversion for both strains. The experiments were carried out using stirred tank batch fermentor with medium supplemented with yeast extract and containing hemicellulose hydrolysate previously detoxified. S. stipitis showed the best ethanol production operating conditions obtained at 100 rpm, 0.7 vvm and initial pH 6.50 with kLainicial of 3 h-1 obtaining YP/S of 0.16 g/g and QP of 0.10 g L-1 h-1. For C. shehatae, the best conditions of 100 rpm, 0.1 vvm and pHinitial of 6.50 with kLainicial of 0.2 h-1 obtained YP/S of 0.44 g/g and QP of 0.25 g L-1 h-1. The results showed that yield and ethanol productivity for C. shehatae strain was higher comparing to S. stipitis. Subsequently, the influence of electromagnetic field configuration in the fermentation process of sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolyzate was evaluated using immobilized C. shehatae in a polymer with magnetic properties. The application of electromagnetic field configuration (axial and transversal) favored the ethanol production, observing at increase of 47 % in ethanol production (axial configuration) compared to the control experiment (no electromagnetic field). The present study demonstrated that C. shehatae yeast shows high fermentative potential for sugarcane hemicellulose hydrolyzate when compared to S. stipitis strain, and that electromagnetic fields are a promising technology tool to be used into the bioethanol process.

Made available in DSpace on 2017-07-10T18:07:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Grasielli Orso Graebin.pdf: 4087959 bytes, checksum: aec4bf3fcd0a76a2390801b14ddefce0 (MD5) Previous issue date: 2014-02-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The growth of the sugarcane sector has enhanced the generation of large amounts of waste such as bagasse from sugar cane, a fact that has encouraged the search for new alternatives of it's use. This study aimed to kiln drying and convective dryer bagasse sugarcane and its application in the removal of metal nickel. Fluorescence spectra of X- rays detected the presence of C, O and Si in the biosorbents, and a fibrous structure and apparently fragmented. Thermal analysis has demonstrated that the bagasse has thermal stability up to 80 °C and four stages of weight loss and decomposition of its components. The point of zero charge was 5,38. The ash content of 4,4%. The kiln drying showed the best results obtained by the experimental desing 22 with 4 center points were showed the temperature of 80 °C as more suitable for balancing the end of the drying process of sugar cane bagasse in 140 minutes. In convective drying the best results were at a temperature of 80 °C and the drying air speed of 2,0 m s-1 reaching the equilibrium moisture content (Xe) in 85±8,66 minutes. Page's model represented better the kinetics, with R2 of 0,9948. The coefficient of diffusivity and activation energy for the best drying conditions investigated were 1,4340 x 10-12 m2 s-1 and 0,58 kJ mol-1. In the adsorption process optimized variables by Experimental Desing Full 23 values showed the following: pH = 5,0, temperature = 25°C, agitation rate = 75 rpm and adsorbent mass of 0,1 g. The adsorption kinetics of bagasse presented a qeq of 1,43 ± 0,024 mg g-1 in a time of 120 minutes. The sugar cane bagasse being a low cost, renewable and biodegradable agroindustrial by product, proves to be a potential adsorbent for the removal of nickel metal. / O crescimento do setor sucroalcooleiro tem potencializado a geração de grandes quantidades de resíduos como o bagaço de cana-de-açúcar, fato que tem incentivado a pesquisa de novas alternativas para sua aplicação. Este trabalho teve como objetivo a secagem em estufa e em secador convectivo do bagaço de cana-de-açúcar e sua aplicação na remoção do metal níquel. Os espectros de fluorescência de raios-X detectaram a presença de C, O e Si no biossorvente, além de uma estrutura fibrosa e fragmentada aparentemente. A análise térmica demonstrou que o bagaço possui estabilidade térmica até 80 °C e quatro estágios de perda de massa e decomposição de seus componentes. O ponto de carga zero (PCZ) do bagaço de cana-de-açúcar foi de 5,38. A secagem em estufa apresentou a temperatura de 80 °C como mais apropriada para estabelecer o equilíbrio ao final do processo de secagem do bagaço de cana em 140 minutos. Na secagem convectiva os melhores resultados obtidos pelo planejamento experimental 22 com 4 pontos centrais foram a temperatura de 80 °C e velocidade do ar de secagem de 2,0 m s-1 atingindo a umidade de equilíbrio (Xe) em 85±8,66 minutos. O modelo de Page representou melhor a cinética de secagem do bagaço de cana com coeficiente de determinação de 0,9948. O coeficiente de difusividade e a energia de ativação para as melhores condições de secagem investigadas foram de 1,4340 x 10-12 m2 s-1 e 0,58 KJ mol-1. No processo de adsorção de níquel as variáveis otimizadas pelo Planejamento Experimental Completo 23 foram pH de 5,0, temperatura de 25 °C e velocidade de agitação de 150 rpm. A cinética de adsorção do níquel pelo bagaço de cana foi de 1,43 ± 0,024 meq g-1 para um tempo de equilíbrio de 120 minutos. O bagaço de cana-de-açúcar por ser um subproduto agroindustrial de baixo custo, renovável e biodegradável, demonstra ser um adsorvente potencial para a remoção do metal níquel.

A conversão de biomassa vegetal em produtos químicos e energia é essencial a fim de sustentar o nosso modo de vida atual. O bagaço de cana-de-açúcar, matériaprima disponível em abundância no Brasil, poderá tanto ajudar a suprir a crescente demanda pelo etanol combustível como ser empregado para obtenção de produtos de valor agregado, tais como xilitol, além de trazer vantagens econômicas para o setor sucroalcooleiro. O xilitol, um poliol com poder adoçante semelhante ao da sacarose e com propriedades peculiares, como metabolismo independente de insulina, anticariogenicidade e aplicações na área clínica, no tratamento de osteoporose e de doenças respiratórias, é obtido em escala comercial por catálise química de materiais lignocelulósicos. A produção biotecnológica de xilitol como alternativa ao processo químico vem sendo pesquisada e os resultados revelam que a presença de compostos tóxicos nos hidrolisados hemicelulósicos resultantes do processo de hidrólise ácida contribui para sua baixa fermentabilidade. Isto se deve à inibição do metabolismo microbiano causada principalmente por compostos tais como ácidos orgânicos, fenólicos e íons metálicos. No presente trabalho foi avaliado o efeito de diferentes fontes de carbono (xilose, glicose e mistura de xilose e glicose) empregadas no preparo do inóculo de Candida guilliermondii FTI 20037 sobre a bioconversão de xilose em xilitol a partir de fermentações em frascos Erlenmeyer de hidrolisados hemicelulósicos submetidos a procedimentos de destoxificação. A condição de favorecimento deste bioprocesso foi empregada para a avaliação da ampliação de escala em fermentadores de 2,4L para 16L, utilizando como critério de ampliação o KLa (igual a 15h-1). De acordo com os resultados, os máximos valores dos parâmetros fermentativos como fator de conversão de xilose em xilitol e produtividade em xilitol foram alcançados com a utilização de inóculo obtido em xilose durante fermentação do hidrolisado destoxificado por resinas (YP/S = 0,81 g g-1 e QP = 0,60 g L-1 h-1, respectivamente), embora o emprego de carvão ativado tenha gerado valores de rendimento próximos para as diferentes fontes de carbono (YP/S variando de 0,78 a 0,80 g g-1). Considerando o valor de fator de conversão e que o procedimento de destoxificação com carvão ativado é o de menor custo e de mais fácil manipulação em comparação ao processo com resinas, os experimentos de ampliação de escala da produção de xilitol por C. guilliermondii foram realizados nesta condição de destoxificação e empregando-se xilose como fonte de carbono para o inóculo. Nesta etapa ficou evidente a viabilidade de ampliação de escala de produção de xilitol de fermentador de 2,4L para 16L, já que os valores dos parâmetros fermentativos avaliados foram semelhantes entre os fermentadores (valores médios: YP/S &#8776; 0,68 g g-1 e QP &#8776; 0,28 g L-1 h-1). No entanto, tais valores foram inferiores aos obtidos em frascos Erlenmeyer, possivelmente devido às condições de disponibilidade de oxigênio diferirem nos fermentadores de bancada, uma vez que o oxigênio é o parâmetro mais crítico neste bioprocesso. / The conversion of vegetable biomass into chemicals and energy is essential to sustain our current style of life. Sugarcane bagasse, a raw material abundantly available in Brazil, greatly contributes to the supply of the evergrowing demand for ethanol. Furthermore, biomass can be employed for obtaining value-added products, such as xylitol, as well as bring economical advantages for the sugar-ethanol sector. Xylitol, a polyol with sweetener power similar to that of saccharose and peculiar properties such as insulin-independent metabolism, anticariogenic power, and applications in the clinical area, in the treatment of osteoporosis and respiratory diseases, is obtained on a commercial scale by chemical catalysis of lignocellulosic materials. The biotechnological production of xylitol as an alternative to the chemical process has been researched and the results reveal that the presence of toxic compounds in hemicelllosics hydrolysates resulting from acid hydrolysis process contributes to its low fermentability. Such toxicity could be due to the inhibition of microbial metabolism promoted mainly by compounds such as organic acids, phenols and metallic ions. In the present work, the effect of different carbon sources (xylose, glucose and a mixture of xylose and glucose) used in the inoculum preparation of Candida guilliermondii FTI 20037 for the xylose-to-xylitol bioconversion by fermentation of hemicellulosics hydrolysates submitted to detoxification procedures in Erlenmeyer flasks was evaluated. The best condition for this bioprocess was employed to evaluate the scale up from the 2.4L to 16L fermentors, using KLa (equal to 15h-1) as scale-up criteria. According to the results the highest values of fermentative parameters such as xylitol yield and productivity were achieved with the use of inoculum cultivated on xylose during the fermentation of hydrolysate detoxified with resins (YP/S = 0.81 g g-1 and QP = 0.60 g L-1 h-1, respectively), although with the use of charcoal the yield value was similar (YP/S ranging for 0.78 to 0.80 g g-1), regardless of the carbon source employed. Considering the value of xylitol yield and that detoxification with activated charcoal is less expensive and more easily manipulated when compared to detoxification procedure with resins, the experiments for scale up xylitol production by C. guilliermondii were performed in such detoxification condition with xylose as the carbon source for the inoculum. At this stage it was evident the scale up xylitol production from a fermenter of 2.4L to 16L was feasible, since the values of fermentative parameters evaluated were similar to those of the fermentors (medium values YP/S &#8776; 0.68 g g-1 e QP &#8776; 0.28 g L-1 h-1). However, these values were lower than those obtained in Erlenmeyer flasks, maybe due to conditions of oxygen availability for they differ from those in fermentors, since oxygen is the most critical parameter in this bioprocess.