A produção de biocombustíveis de segunda geração está entre os temas mais pesquisados atualmente. Entre estes, a obtenção de etanol a partir de bagaço de cana-de-açúcar é de grande interesse nacional, considerando-se a abundância desta matéria-prima no país e a possibilidade de incremento na produção deste álcool sem necessidade de expansão da área plantada. Sob o ponto de vista de produção industrial, no entanto, é fundamental o desenvolvimento de trabalhos visando ao estudo de alternativas de processos e biorreatores susceptíveis de ampliação de escala. Estratégias como sacarificação e fermentação/cofermentação simultâneas (SSF/SSCF) têm sido estudadas e têm como vantagens a intensificação do processo pela redução do custo de investimento e minimização de problemas de inibição de enzimas por produtos. No entanto, neste caso, geralmente o uso de condições não otimizadas (temperatura) para cada passo biológico é desvantajoso. Com o objetivo de superar essa desvantagem, avaliou-se o uso de reatores de coluna interconectados para a produção de etanol a partir de bagaço de cana-de-açúcar empregando células de Scheffersomyces shehatae imobilizadas em alginato de cálcio em sistema SSCF. O bagaço foi previamente pré-tratado por processo alcalino e alcalino assistido por cavitação hidrodinâmica. Experimentos em SSCF em batelada foram realizados usando duas colunas interconectadas. Uma delas (para hidrólise) foi mantida a 50ºC e carregada com bagaço pré-tratado e a outra coluna (para fermentação) foi mantida a 30°C e carregada com células imobilizadas. Meio contendo preparação comercial de celulases e nutrientes para o micro-organismo foi recirculado entre as colunas. Os efeitos da vazão de recirculação e carga enzimática foram avaliados usando planejamento estatístico como ferramenta. Dados iniciais de hidrólise enzimática em reator de coluna mostraram elevada taxa de reação no início do processo, com redução desta ao longo da hidrólise devido à recalcitrância crescente do material residual à ação enzimática. Os resultados obtidos no planejamento estatístico mostraram que a carga enzimática foi a variável mais influente no processo, embora a vazão de recirculação e a interação entre as variáveis também tenham apresentado efeitos significativos. As condições selecionadas corresponderam a uma vazão de recirculação de 14 mL/min e carga enzimática de 15 FPU/g e os experimentos nestas condições resultaram em valores de fator de rendimento (Yp/s) de 0,493 g/g, produtividade volumétrica de 0,469 g.L-1.h-1 e eficiência de 96,58%. Além disso, nestas condições, 70,72±1,32 % da celulose presente inicialmente no material e 56,37±0,76 % da hemicelulose foram hidrolisadas. O sistema mostrouse adequado para realização do processo SSCF, com potencial para ser utilizado para intensificação da produção de etanol 2G em biorrefinarias. / Currently, the production of second generation biofuels is one of the most researched topics. Among these, the ethanol obtained from sugarcane bagasse is of great national interest, considering the abundance of this raw material in the country and the possibility of increasing the production of this alcohol without the need of expanding the crop area. From viewpoint of industrial production, however, the development of studies of process alternatives and bioreactors adequate for scale up is fundamental. Strategies as saccharification and simultaneous fermentation/cofermentation (SSF/SSCF) have been studied and have as advantages the intensification of the process by reducing the cost of investment and minimizing problems of inhibition of enzymes by hydrolysis products. However, in this case, generally the use of non-optimized conditions (temperature) for each biological step is disadvantageous. In order to overcome this drawback, the use of interconnected column reactors for the production of ethanol from sugarcane bagasse was evaluated using calcium alginate immobilized cells of Scheffersomyces shehatae in SSCF system. The bagasse was previously pretreated by alkaline and hydrodynamic cavitation-assisted alkaline process. Batch experiments of SSCF were performed using two interconnected columns. One of them (for hydrolysis) was kept at 50 ° C and loaded with pre-treated bagasse and the other column (for fermentation) was kept at 30 ° C and loaded with immobilized cells. Medium containing comercial preparation of cellulases and nutrients for the microorganism was recirculated between the columns. The effects of recirculation flow and enzymatic loading were evaluated using statistical design as a tool. Initial data on enzymatic hydrolysis in a column reactor showed a high reaction rate at the beginning of the process, with a reduction in the hydrolysis rate along the process due to the increasing recalcitrance of the residual material to the enzymatic action. The results obtained in the statistical design showed that enzymatic loading was the most influential variable in the process, although the recirculation flow rate and the interaction between the variables also had significant effects. The selected conditions corresponded to a recirculation flow rate of 14 mL/min and enzyme loading of 15 FPU/g and the experiments carried out under these conditions resulted in yield factor (Yp/s) values of 0.493 g/g, volumetric productivity of 0.469 gL- 1.h-1 and fermentation efficiency of 96.58%. Moreover, under these conditions, 70.72±1.32 % of the cellulose initially present in the material and 56.37±0.76 % of the hemicellulose were hydrolyzed. The system proved to be adequate to perform the SSCF process, with potential to be used to intensify the production of 2G ethanol in biorefineries.

O mundo se depara atualmente com a perspectiva de um significativo aumento na demanda por etanol combustível. O bagaço de cana está entre os maiores subprodutos agroindustriais no Brasil, sendo uma das alternativas na utilização para a produção do etanol de segunda geração. A degradação do bagaço de cana requer a ação de muitas enzimas diferentes que são reguladas transcripcionalmente. Considerando-se que o custo de celulases e hemicelulases contribuem substancialmente no preço do bioetanol, novos estudos visando o entendimento da eficiência e produtividade de celulases são de grande importância. Para entender como melhorar coquetéis de enzimas que podem hidrolizar o bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado, uitlizou-se um experimento de genômica para investigar-se quais genes e vias são transcripcionalmente moduladas durante o crescimento de A. niger em bagaço de cana-de-açúcar explodido. Neste trabalho foram identificados genes que codificam celulases e hemicelulases com aumento da expresão durante o crescimento em bagaço de cana-de-açúcar explodido. Foi também realizada a determinação do acúmulo de mRNA de diversos genes que codificam transportadores para verificar se estes eram induzidos por xilose e por depedência de glicose. Foram identificados 18 genes que corresponde a 58% de celulases preditas em A. niger e 21 genes que correponde a 58% de hemicelulases preditas em A. niger os quias foram altamente expressos durante o crescimento em bagaço de cana-de-açúcar explodido. Foi investigado também o papel central realizado pelas proteínas quinases e fosfatases não essenciais (NPKs e NPPs, respectivamente) quando em presença de celulose como fonte de carbono, no sensoriamento do estado energético e na subsequente via de sinalização no fungo filamentoso modelo Aspergillus nidulans. O estudo com A. nidulans identificou 11 quinases e 7 fosfatases não essências, NPKs e NPPs, respectivamente, envolvidas na produção de celulases e em alguns casos, na produção também de hemicelulases. O envolvimento destas NPKs identificadas na resposta induzida por avicel e na desrepressão foram acessados pela análise do transcriptoma da cepa selvagem e por microscopia de fluorescência através da cepa de fusão CreA::GFP expressa no selvagem e no background dos mutantes de NPKs. A ausência das quinases snfA e schA reduziu dramaticamente a resposta transcricional induzida por celulose incluindo a expressão de enzimas hidrolíticas e transportadores, enquanto que a ausência de snfA resultou em uma quase completa modulação gênica induzida por celulose. O mecanismo pelo qual essas duas quinases controlam a transcrição gênica foi identificado, onde os dois mutantes de quinases foram capazes de desbloquear o CreA mediante a repressão catabólica do carbono (CCR), sob condições de desrepressão, como em baixa presença de carbono ou crescimento em celulose. Desta forma, este trabalho abriu novas possibilidades para o entendimento da sacarificação do bagaço de cana-de-açúcar por hidrolases de A. niger e para a construção de coquetéis de enzimas mais eficientes para a obtenção do etanol de segunda geração. Também possibilitou a identificação de muitas quinases e fosfatases envolvidas no sensoriamento do carbono e do estado energético, as quais demonstraram papéis sobrespostos e distintos de snfA e schA na regulação da desrepressão de CreA e na produção de enzimas hidrolíticas em A. nidulans. / The world today is faced with the prospect of a significant increase in demand for fuel ethanol. Sugarcane bagasse is among the largest agro-industrial by-products in Brazil, one of the alternatives in use for the production of second generation ethanol. Degradation of sugarcane bagasse requires the action of many different enzymes which are transcriptionally regulated. Considering that the costs of cellulases and hemicellulases contribute substantially to the price of bioethanol, new studies aimed at understanding and improving cellulase efficiency and productivity are of paramount importance. To understand how to improve enzymatic cocktails that can hydrolyze pretreated sugarcane bagasse, we used a genomics approach to investigate which genes and pathways are transcriptionally modulated during growth of A. niger on steam-exploded sugarcane bagasse. We also sought to determine whether the mRNA accumulation of several steam-exploded sugarcane bagasseinduced genes encoding putative transporters is induced by xylose and dependent on glucose. We identified 18 genes that corresponds to 58% of A. niger predicted cellulases and 21 genes that correspond to 58% of A. niger predicted hemicellulases, that were highly expressed during growth on sugarcane bagasse. The central role performed by nonessential protein kinases (NPK) and phosphatases (NPP) when grown on cellulose as a sole carbon source, in the sensing energetic status and the subsequent signalling pathways was assessed in the model filamentous fungus Aspergillus nidulans. This study identified multiple kinases and phosphatases (NPKs and NPPs, respectively) involved in the sensing of carbon or energetic status, while demonstrating the overlapping and distinct roles of snfA and schA in the regulation of CreA derepression and hydrolytic enzyme production in A.nidulans. The involvement of the identified NPKs in avicel-induced responses and CreA derepression was assessed by genome-wide transcriptomics and fluorescent microscopy of a CreA::GFP fusion proteinexpressed in the wild-type and NPK-deficient mutant backgrounds. The absence of either the schA or snfA kinase dramatically reduced cellulose-induced transcriptional responses including the expression of hydrolytic enzymes and transporters, while the absence snfA resulted in a near complete loss of wild-typecellulose-induced gene modulation. The mechanism by which these two NPKs controlled gene transcription was identified, as neither of NPK-deficient mutants were able to unlock CreA-mediated carbon catabolite repression, under derepressing conditions, such as carbon starvation or growth on cellulose. Our presently reported work opens new possibilities for understanding sugarcane biomass saccharification by A. niger hydrolases and for the construction of more efficient enzymatic cocktails for second-generation bioethanol. This work also enable the identification of multiple kinases and phosphatases involved in the sensing of carbon or energetic status, while demonstrating the overlapping and distinct roles of snfA and schA in the regulation of CreA derepression and hydrolytic enzyme production in A.nidulans.

Estudos in situ comumente são conduzidos com pequeno número de animais, existindo poucos trabalhos enfocando o impacto da variabilidade animal sobre seus resultados. O objetivo deste estudo foi explorar o efeito da variabilidade animal sobre as taxas fracionais de degradação (kd) de MS, FDN, FDA e CEL de forragens. Foi conduzido experimento utilizando trinta novilhos Nelore portadores de cânula ruminal (372 ± 16,02 kg P.V.). Dieta 1, todos os animais receberam dieta contendo 100% feno de Coast-cross + sal mineral, ambos ad libitum. Na Dieta 2, todos os animais receberam dieta com 88% de bagaço de cana in natura, 8% de farelo de soja, 2,8% de premix mineral e 1,2% de uréia. Em ambos os períodos foram incubadas amostras de feno de Coast-cross (Fc) (7,31% PB; 78,24% FDN; 40,92% FDA), bagaço de cana-de-açuçar (BAG) (3,04% PB; 90,31% FDN; 69,36% FDA) e feno Tifton-85 (Ft) (13,32% PB; 73,27% FDN; 39,29% FDA) em sacos de poliamida (10 cm x 20 cm; 30 ± 10 &mu;m porosidade) nos tempos 0, 12, 24, 48, 72 e 144 h. Os sacos foram suspensos no saco ventral do rúmen em ordem reversa e removidos simultaneamente no tempo zero. Os teores de MS, FDN, FDA e lignina nos resíduos foram determinados por química líquida e a CEL foi calculada por subtração do teor de lignina da fração do FDA. A cinética de degradação ruminal de MS, FDN, FDA e CEL foram calculadas de acordo com o modelo não linear Y(t) = a + b (1 - e(-kd × t) ); onde t >= 0. As atividades de comportamento ingestivo (ingestão, ruminação, ingestão de água e ócio) foram registradas em intervalos de 10 minutos durante 24 horas. Análise de Componentes Principais foi utilizada para determinar a correlação entre substratos; Análise Fatorial para caracterizar a população de animais (P<0,05); Análise de Agrupamento e Contrastes Multivariados para compor grupos dentro da população (P<0,01) e Análise de Correlação Canônica para determinar correlação entre kd e comportamento ingestivo (P<0,01). Simulação entre número de animais e coeficiente de variação (CV) foi realizada na tentativa de estimar a quantidade adequada de repetições para estes estudos. As médias de kd para MS, FDN, FDA e CEL foram: 3,26; 3,29; 3,44 e 3,54 para Fc; 3,74; 3,88; 4,07 e 4,49 para Ft; e 2,67; 2,68; 2,58 e 2,65 para BAG respectivamente. Foram compostos três níveis de kd para Fc e Ft (alto, médio e baixo) e quatro para BAG (alto, médio alto, médio baixo e baixo). O CV é adequado para mensuração da precisão do ensaio, sendo mais indicado o índice de variação (IV). Em ambas as fases, para todos os substratos, não houve correlação entre kd e comportamento ingestivo. As diferentes correlações de kd entre substratos para as duas fases, demonstra a influência da dieta ofertada sobre o kd. O estudo da variabilidade e o IV indicam que o número de animais é dependente do substrato avaliado, porém o estudo da variabilidade demonstra que os indivíduos que compõe este número são distintos entre dietas. / In situ studies are general carried out with a few number of animals and there are few trials that inquire the impact of animal variability on these results. The aim of this study was to investigate the effect of animal population variability on fractional disappearance rate (kd) of DM, NDF, ADF and cellulose (CEL). Experiment using thirty ruminally canullated Nellore bulls (372 ± 16.02 kg BW) was carried over. In phase 1, all animals received 100% Coast-cross hay with mineral mix ad libitum. In period 2, all animals received a diet containing 88% sugarcane bagasse, 8% soybean meal, 2.8% mineral mix and 1.2% urea (DM basis). In both trials, representative samples of Coast-cross hay (CCH - 7.31% CP, 78.24% NDF, 40.92% ADF), sugarcane bagasse (BAG - 3.04% CP, 90.31% NDF, 69.36% ADF) and Tifton-85 hay (TH - 13.32% CP, 73.27% NDF, 39.29% ADF) were incubated in polyamide-bags (10 cm × 20 cm; 30 ± 10 &mu;m pore size) for 0, 12, 24, 48, 72, and 144 h. Bags were suspended in the rumen ventral sac before at feeding in reverse order and removed simultaneously at time zero. Residual DM, NDF, ADF, and lignin were determined by wet chemistry. Cellulose (CEL) was calculated as ADF minus lignin. Ruminal degradation kinetics of DM, NDF, ADF, and CEL were calculated using a nonlinear model Y(t) = a + b (1 - e(-kd × t) ); where t >= 0. Feeding behavior parameters (eating, ruminating, water drinking and idling) were recorded every 10 minutes during 24 h. Principal component analysis was used to determine correlation of variables among substrates. Factorial Analysis was used to characterize animal population (P<0.05), Cluster with Multivariate Contrasts (P<0.01) to analyze differences in kd groups and Multivariate Canonical correlation analysis (P<0.05) to correlate kd with feeding behavior parameters. A simulation with number of animals was done against coefficient of variation (CV) to determinate optimum number of animals in an in situ assay. The kd (average) of DM, NDF, ADF, and CEL were: 3.26, 3.29, 3.44 and 3.54 for CCH; 3.74, 3.88, 4.07 and 4.49 for TH; and 2.67, 2.68, 2.58 and 2.65 for BAG, respectively. There was no correlation among substrates in both periods. Were found three groups of kd for CCH and TH (high, medium and low) and four groups for BAG (high, medium-high, medium, and low). CV is not adequate to measure experimental precision, instead it, variation index is indicated (VI). In both incubations phases, there was no relationship between feeding behavior and kd, for all incubated forages sources. The kd correlations among substrates between two incubation phases were different, indicating influence of the diet on kd. Variability investigation and VI parameter indicate that the number of animals necessary in these trials is affected by the substrate incubated. However, the variability investigation suggests that probably different animals compose this number.

Estudos in situ comumente são conduzidos com pequeno número de animais, existindo poucos trabalhos enfocando o impacto da variabilidade animal sobre seus resultados. O objetivo deste estudo foi explorar o efeito da variabilidade animal sobre as taxas fracionais de degradação (kd) de MS, FDN, FDA e CEL de forragens. Foi conduzido experimento utilizando trinta novilhos Nelore portadores de cânula ruminal (372 ± 16,02 kg P.V.). Dieta 1, todos os animais receberam dieta contendo 100% feno de Coast-cross + sal mineral, ambos ad libitum. Na Dieta 2, todos os animais receberam dieta com 88% de bagaço de cana in natura, 8% de farelo de soja, 2,8% de premix mineral e 1,2% de uréia. Em ambos os períodos foram incubadas amostras de feno de Coast-cross (Fc) (7,31% PB; 78,24% FDN; 40,92% FDA), bagaço de cana-de-açuçar (BAG) (3,04% PB; 90,31% FDN; 69,36% FDA) e feno Tifton-85 (Ft) (13,32% PB; 73,27% FDN; 39,29% FDA) em sacos de poliamida (10 cm x 20 cm; 30 ± 10 &mu;m porosidade) nos tempos 0, 12, 24, 48, 72 e 144 h. Os sacos foram suspensos no saco ventral do rúmen em ordem reversa e removidos simultaneamente no tempo zero. Os teores de MS, FDN, FDA e lignina nos resíduos foram determinados por química líquida e a CEL foi calculada por subtração do teor de lignina da fração do FDA. A cinética de degradação ruminal de MS, FDN, FDA e CEL foram calculadas de acordo com o modelo não linear Y(t) = a + b (1 - e(-kd × t) ); onde t >= 0. As atividades de comportamento ingestivo (ingestão, ruminação, ingestão de água e ócio) foram registradas em intervalos de 10 minutos durante 24 horas. Análise de Componentes Principais foi utilizada para determinar a correlação entre substratos; Análise Fatorial para caracterizar a população de animais (P<0,05); Análise de Agrupamento e Contrastes Multivariados para compor grupos dentro da população (P<0,01) e Análise de Correlação Canônica para determinar correlação entre kd e comportamento ingestivo (P<0,01). Simulação entre número de animais e coeficiente de variação (CV) foi realizada na tentativa de estimar a quantidade adequada de repetições para estes estudos. As médias de kd para MS, FDN, FDA e CEL foram: 3,26; 3,29; 3,44 e 3,54 para Fc; 3,74; 3,88; 4,07 e 4,49 para Ft; e 2,67; 2,68; 2,58 e 2,65 para BAG respectivamente. Foram compostos três níveis de kd para Fc e Ft (alto, médio e baixo) e quatro para BAG (alto, médio alto, médio baixo e baixo). O CV é adequado para mensuração da precisão do ensaio, sendo mais indicado o índice de variação (IV). Em ambas as fases, para todos os substratos, não houve correlação entre kd e comportamento ingestivo. As diferentes correlações de kd entre substratos para as duas fases, demonstra a influência da dieta ofertada sobre o kd. O estudo da variabilidade e o IV indicam que o número de animais é dependente do substrato avaliado, porém o estudo da variabilidade demonstra que os indivíduos que compõe este número são distintos entre dietas. / In situ studies are general carried out with a few number of animals and there are few trials that inquire the impact of animal variability on these results. The aim of this study was to investigate the effect of animal population variability on fractional disappearance rate (kd) of DM, NDF, ADF and cellulose (CEL). Experiment using thirty ruminally canullated Nellore bulls (372 ± 16.02 kg BW) was carried over. In phase 1, all animals received 100% Coast-cross hay with mineral mix ad libitum. In period 2, all animals received a diet containing 88% sugarcane bagasse, 8% soybean meal, 2.8% mineral mix and 1.2% urea (DM basis). In both trials, representative samples of Coast-cross hay (CCH - 7.31% CP, 78.24% NDF, 40.92% ADF), sugarcane bagasse (BAG - 3.04% CP, 90.31% NDF, 69.36% ADF) and Tifton-85 hay (TH - 13.32% CP, 73.27% NDF, 39.29% ADF) were incubated in polyamide-bags (10 cm × 20 cm; 30 ± 10 &mu;m pore size) for 0, 12, 24, 48, 72, and 144 h. Bags were suspended in the rumen ventral sac before at feeding in reverse order and removed simultaneously at time zero. Residual DM, NDF, ADF, and lignin were determined by wet chemistry. Cellulose (CEL) was calculated as ADF minus lignin. Ruminal degradation kinetics of DM, NDF, ADF, and CEL were calculated using a nonlinear model Y(t) = a + b (1 - e(-kd × t) ); where t >= 0. Feeding behavior parameters (eating, ruminating, water drinking and idling) were recorded every 10 minutes during 24 h. Principal component analysis was used to determine correlation of variables among substrates. Factorial Analysis was used to characterize animal population (P<0.05), Cluster with Multivariate Contrasts (P<0.01) to analyze differences in kd groups and Multivariate Canonical correlation analysis (P<0.05) to correlate kd with feeding behavior parameters. A simulation with number of animals was done against coefficient of variation (CV) to determinate optimum number of animals in an in situ assay. The kd (average) of DM, NDF, ADF, and CEL were: 3.26, 3.29, 3.44 and 3.54 for CCH; 3.74, 3.88, 4.07 and 4.49 for TH; and 2.67, 2.68, 2.58 and 2.65 for BAG, respectively. There was no correlation among substrates in both periods. Were found three groups of kd for CCH and TH (high, medium and low) and four groups for BAG (high, medium-high, medium, and low). CV is not adequate to measure experimental precision, instead it, variation index is indicated (VI). In both incubations phases, there was no relationship between feeding behavior and kd, for all incubated forages sources. The kd correlations among substrates between two incubation phases were different, indicating influence of the diet on kd. Variability investigation and VI parameter indicate that the number of animals necessary in these trials is affected by the substrate incubated. However, the variability investigation suggests that probably different animals compose this number.

O presente trabalho teve como objetivo avaliar o uso combinado de processos de separação, visando a adequação do substrato rico em xilose (hidrolisado de bagaço de cana) para a obtenção de produtos por via fermentativa. Foram estudados processos como coagulação e precipitação seletiva de impurezas coloidais, separação com membranas de microfiltração e ultrafiltração e resinas de troca iônica, tendo como ponto de partida o hidrolisado concentrado 5,56 vezes (hidrolisado H1). Na avaliação dos ensaios de coagulação e precipitação foi utilizado planejamento fatorial fracionado, o qual auxiliou o estudo da performance de agentes coagulantes (policloreto de alumínio e polieletrólito aniônico), em diferentes concentrações, pHs e temperaturas. Como variável resposta foi determinado a redução de compostos fenólicos, resultando numa diminuição final de 32,67% e num modelo matemático que representa os parâmetros envolvidos no processo:[C. Fenólicos] = 13,82 + 4,54xpH + 0,03xPAC - 0,58xpH2 + 0,19xPAC2 - 0,25xpHxPAC. Após a determinação das melhores condições experimentais desta etapa, aplicou-se este modelo numa escala 36 vezes maior, resultando em uma diminuição de 10,49% destes contaminantes, produzindo o hidrolisado H2. Este hidrolisado foi percolado por resinas, e assim, determinou-se a série de resinas de troca iônica mais eficiente (série I: Amberlyst 15Wet, Amberlite FPA98, Amberlite 252Na e Amberlite IRA96). Esta etapa proporcionou uma redução de 96,29% no índice de cor, 98,72% dos compostos fenólicos, 74,19% do hidroximetilfurfural, 55,56% de furfural e 52,03% de ácido acético, utilizando um volume de leito de 20 mL, por coluna de resina. O hidrolisado H2, também, foi utilizado para a determinação do melhor modo de permeação por membranas de separação. Neste caso, optou-se em utilizar somente a membrana de ultrafiltração. A permeação do hidrolisado H2 por esta membrana resultou no hidrolisado H3, e em reduções de 12,50% de ácido acético, 33,00% de compostos fenólicos e 54,29% no índice de cor. Assim, o hidrolisado H3 foi percolado pela série de resinas mais eficiente, obtendo ao final uma diminuição de 63,29% do ácido acético, 75,86% de furfural, 77,78% de hidroximetilfurfural e 88,09% dos compostos fenólicos, promovendo uma redução de 90,90% no índice de cor. A seguir, o hidrolisado purificado foi submetido a fermentações para a produção de xilitol e etanol. Essas bioconversões foram aptas a produzir 0,250g/L.h de xilitol e 0,265g/L.h de etanol além de apresentarem rendimentos de 0,68g/g de xilitol por xilose consumida e 0,30g/g de etanol por xilose consumida. Estes resultados indicam a boa fermentabilidade do hidrolisado tratado pelo processo combinado proposto. / This study evaluated the combined use of separation processes, seeking the adequacy of the substrate rich in xylose (hydrolysate of sugar cane bagasse) in the attainment of products from fermentative processes. During this research processes as coagulation and precipitation of selective colloidal impurities, microfiltration and ultrafiltration membranes separations and ion exchange resins were studied, taking as its starting point a hydrolysate concentrate 5.56 times (hydrolysate H1). During the tests of coagulation and precipitation a fraction factorial design was applied, which helped the study of coagulating agents performance (aluminum polychloride and anionic polyelectrolyte) in different concentrations, pH and temperatures. The response variable utilized was phenolic compounds reduction resulting in a drop of 32.67% and the mathematical model that represents the parameters involved in the process was: [C. Fenólicos] = 13.82 + 4.54 xpH + 0.03 xPAC - 0.58 xpH2 + 0.19 xPAC2 - 0.25 xpHxPAC. After determining the best experimental conditions of this step, this model was applied on a scale 36 times greater resulting in a decrease of 10.49% on contaminants, producing the hydrolysate H2. This hydrolysate was percolated through resins and determined the sequence of ion exchange resins more efficient; Serie I (Amberlyst 15Wet, Amberlite FPA98, Amberlite 252Na and Amberlite IRA96). This step reduced 96.29% in the index of color, 98.72% of phenolic compounds, 74.19% of hydroxymethylfurfural, 55.56% of furfural and 52.03% acetic acid, using a bed volume of 20 mL for each resin column. The hydrolysate H2 also was used to determine the best way of membranes permeation. In this case, opted to use only the ultrafiltration membrane. The permeation of the hydrolysate H2 through membrane resulted the hydrolysate H3, and showed reductions of 12.50%, 33.00% and 54.29% in acetic acid, phenolic compounds and index of color, respectively. Thus, the hydrolysate H3 was percolated through the resins series more efficient, obtaining a decrease of 63.29% of acetic acid, 75.86% of furfural, 77.78% of hydroxymethylfurfural and 88.09% of phenolic compounds, promoting a reduction of 90.90% in the index of color on the finish treatment. So this hydrolysate purified was subjected to fermentations for the production of xylitol and ethanol. These bioconversions were able to produce 0.250 g/L.h of xylitol and 0.265g/L.h of ethanol and showed xylitol yield from xylose of 0.68g/g and ethanol yield from xilose of 0.30g/g in ethanol. Theses results indicate the good fermentability of the hydrolysate treated by proposed combined process.

O presente trabalho teve como objetivo avaliar o uso combinado de processos de separação, visando a adequação do substrato rico em xilose (hidrolisado de bagaço de cana) para a obtenção de produtos por via fermentativa. Foram estudados processos como coagulação e precipitação seletiva de impurezas coloidais, separação com membranas de microfiltração e ultrafiltração e resinas de troca iônica, tendo como ponto de partida o hidrolisado concentrado 5,56 vezes (hidrolisado H1). Na avaliação dos ensaios de coagulação e precipitação foi utilizado planejamento fatorial fracionado, o qual auxiliou o estudo da performance de agentes coagulantes (policloreto de alumínio e polieletrólito aniônico), em diferentes concentrações, pHs e temperaturas. Como variável resposta foi determinado a redução de compostos fenólicos, resultando numa diminuição final de 32,67% e num modelo matemático que representa os parâmetros envolvidos no processo:[C. Fenólicos] = 13,82 + 4,54xpH + 0,03xPAC - 0,58xpH2 + 0,19xPAC2 - 0,25xpHxPAC. Após a determinação das melhores condições experimentais desta etapa, aplicou-se este modelo numa escala 36 vezes maior, resultando em uma diminuição de 10,49% destes contaminantes, produzindo o hidrolisado H2. Este hidrolisado foi percolado por resinas, e assim, determinou-se a série de resinas de troca iônica mais eficiente (série I: Amberlyst 15Wet, Amberlite FPA98, Amberlite 252Na e Amberlite IRA96). Esta etapa proporcionou uma redução de 96,29% no índice de cor, 98,72% dos compostos fenólicos, 74,19% do hidroximetilfurfural, 55,56% de furfural e 52,03% de ácido acético, utilizando um volume de leito de 20 mL, por coluna de resina. O hidrolisado H2, também, foi utilizado para a determinação do melhor modo de permeação por membranas de separação. Neste caso, optou-se em utilizar somente a membrana de ultrafiltração. A permeação do hidrolisado H2 por esta membrana resultou no hidrolisado H3, e em reduções de 12,50% de ácido acético, 33,00% de compostos fenólicos e 54,29% no índice de cor. Assim, o hidrolisado H3 foi percolado pela série de resinas mais eficiente, obtendo ao final uma diminuição de 63,29% do ácido acético, 75,86% de furfural, 77,78% de hidroximetilfurfural e 88,09% dos compostos fenólicos, promovendo uma redução de 90,90% no índice de cor. A seguir, o hidrolisado purificado foi submetido a fermentações para a produção de xilitol e etanol. Essas bioconversões foram aptas a produzir 0,250g/L.h de xilitol e 0,265g/L.h de etanol além de apresentarem rendimentos de 0,68g/g de xilitol por xilose consumida e 0,30g/g de etanol por xilose consumida. Estes resultados indicam a boa fermentabilidade do hidrolisado tratado pelo processo combinado proposto. / This study evaluated the combined use of separation processes, seeking the adequacy of the substrate rich in xylose (hydrolysate of sugar cane bagasse) in the attainment of products from fermentative processes. During this research processes as coagulation and precipitation of selective colloidal impurities, microfiltration and ultrafiltration membranes separations and ion exchange resins were studied, taking as its starting point a hydrolysate concentrate 5.56 times (hydrolysate H1). During the tests of coagulation and precipitation a fraction factorial design was applied, which helped the study of coagulating agents performance (aluminum polychloride and anionic polyelectrolyte) in different concentrations, pH and temperatures. The response variable utilized was phenolic compounds reduction resulting in a drop of 32.67% and the mathematical model that represents the parameters involved in the process was: [C. Fenólicos] = 13.82 + 4.54 xpH + 0.03 xPAC - 0.58 xpH2 + 0.19 xPAC2 - 0.25 xpHxPAC. After determining the best experimental conditions of this step, this model was applied on a scale 36 times greater resulting in a decrease of 10.49% on contaminants, producing the hydrolysate H2. This hydrolysate was percolated through resins and determined the sequence of ion exchange resins more efficient; Serie I (Amberlyst 15Wet, Amberlite FPA98, Amberlite 252Na and Amberlite IRA96). This step reduced 96.29% in the index of color, 98.72% of phenolic compounds, 74.19% of hydroxymethylfurfural, 55.56% of furfural and 52.03% acetic acid, using a bed volume of 20 mL for each resin column. The hydrolysate H2 also was used to determine the best way of membranes permeation. In this case, opted to use only the ultrafiltration membrane. The permeation of the hydrolysate H2 through membrane resulted the hydrolysate H3, and showed reductions of 12.50%, 33.00% and 54.29% in acetic acid, phenolic compounds and index of color, respectively. Thus, the hydrolysate H3 was percolated through the resins series more efficient, obtaining a decrease of 63.29% of acetic acid, 75.86% of furfural, 77.78% of hydroxymethylfurfural and 88.09% of phenolic compounds, promoting a reduction of 90.90% in the index of color on the finish treatment. So this hydrolysate purified was subjected to fermentations for the production of xylitol and ethanol. These bioconversions were able to produce 0.250 g/L.h of xylitol and 0.265g/L.h of ethanol and showed xylitol yield from xylose of 0.68g/g and ethanol yield from xilose of 0.30g/g in ethanol. Theses results indicate the good fermentability of the hydrolysate treated by proposed combined process.

Orientador: Tsunao Matsumoto / Resumo: O tratamento de efluentes oriundos de águas residuárias possui importância significativa para diminuir os impactos ambientais provocados pela ação do homem em determinado meio. Atualmente, existem parâmetros legais que normatizam os processos de tratamento de esgoto doméstico para que o efluente gerado seja processado antes de seu despejo em recursos hídricos com o intuito de diminuir a ação de agentes biológicos e substâncias/compostos químicos nocivos à saúde do homem e do meio ambiente. A investigação de mestrado proposta objetivou analisar a eficiência da remoção de nutrientes, proveniente de esgoto doméstico, por intermédio da utilização de um Reator Granular em Tubo Concêntrico com Circulação, a partir da administração de carvão ativado de bagaço de cana-de-açúcar (CABC) como material de suporte. O reator foi fixado em uma Estação Elevatória de Esgoto do município de Ilha Solteira - SP. Para avaliar a eficácia do tratamento proposto, as variáveis: temperatura, pH, alcalinidade, DQO, sólidos sedimentáveis, sólidos suspensos, sólidos totais, nitrogênio total e fósforo total do efluente submetido ao reator foram monitoradas em consonância com o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. O estudo foi desenvolvido em duas fases: de partida (desenvolvimento do biofilme no material de suporte) e operacional (aumento dos ciclos operacionais no reator e menor tempo de sedimentação), sendo esta última subdividida em Fase A (análises da DQO, temperatura e pH) e ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Treatment of effluents from wastewater has significant importance to reduce the environmental impacts caused by human action. Currently, there are legal standards that regulate the domestic wastewater treatment processes for the effluent to be processed before eliminating on water resources in order to reduce the action of biological agents and harmful chemical substances to human health and the environment. The research proposal aimed to analyze the efficiency of removal of nutrients from sewage, through the use of a Reactor Granular in Concentric pipe with circulation from the activated carbon of sugarcane bagasse (CABC) as a support material. The reactor was set at a pumping station sewage in Ilha Solteira - SP. To evaluate the effectiveness of the proposed treatment variables: temperature, pH, alkalinity, total COD, solids sedimented, suspended solids, total solids, total nitrogen and phosphorus from the reactor was monitored in accordance with the Standard Methods of Examination of Water and Wastewater. The study was conducted in two phases: starting (development of biofilm on the support material) and operational (increased cycle times in the reactor and reduced settling time), the operational phase was subdivided into Phase A (analysis of COD, pH and temperature) and Phase B (evaluation of the removal of carbonaceous matter, nitrogen and phosphorus matter). The investigation also showed viability for removal of carbonaceous organic load at 65% and 78% in phase A and B,... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

O mundo se depara atualmente com a perspectiva de um significativo aumento na demanda por etanol combustível. O bagaço de cana está entre os maiores subprodutos agroindustriais no Brasil, sendo uma das alternativas na utilização para a produção do etanol de segunda geração. A degradação do bagaço de cana requer a ação de muitas enzimas diferentes que são reguladas transcripcionalmente. Considerando-se que o custo de celulases e hemicelulases contribuem substancialmente no preço do bioetanol, novos estudos visando o entendimento da eficiência e produtividade de celulases são de grande importância. Para entender como melhorar coquetéis de enzimas que podem hidrolizar o bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado, uitlizou-se um experimento de genômica para investigar-se quais genes e vias são transcripcionalmente moduladas durante o crescimento de A. niger em bagaço de cana-de-açúcar explodido. Neste trabalho foram identificados genes que codificam celulases e hemicelulases com aumento da expresão durante o crescimento em bagaço de cana-de-açúcar explodido. Foi também realizada a determinação do acúmulo de mRNA de diversos genes que codificam transportadores para verificar se estes eram induzidos por xilose e por depedência de glicose. Foram identificados 18 genes que corresponde a 58% de celulases preditas em A. niger e 21 genes que correponde a 58% de hemicelulases preditas em A. niger os quias foram altamente expressos durante o crescimento em bagaço de cana-de-açúcar explodido. Foi investigado também o papel central realizado pelas proteínas quinases e fosfatases não essenciais (NPKs e NPPs, respectivamente) quando em presença de celulose como fonte de carbono, no sensoriamento do estado energético e na subsequente via de sinalização no fungo filamentoso modelo Aspergillus nidulans. O estudo com A. nidulans identificou 11 quinases e 7 fosfatases não essências, NPKs e NPPs, respectivamente, envolvidas na produção de celulases e em alguns casos, na produção também de hemicelulases. O envolvimento destas NPKs identificadas na resposta induzida por avicel e na desrepressão foram acessados pela análise do transcriptoma da cepa selvagem e por microscopia de fluorescência através da cepa de fusão CreA::GFP expressa no selvagem e no background dos mutantes de NPKs. A ausência das quinases snfA e schA reduziu dramaticamente a resposta transcricional induzida por celulose incluindo a expressão de enzimas hidrolíticas e transportadores, enquanto que a ausência de snfA resultou em uma quase completa modulação gênica induzida por celulose. O mecanismo pelo qual essas duas quinases controlam a transcrição gênica foi identificado, onde os dois mutantes de quinases foram capazes de desbloquear o CreA mediante a repressão catabólica do carbono (CCR), sob condições de desrepressão, como em baixa presença de carbono ou crescimento em celulose. Desta forma, este trabalho abriu novas possibilidades para o entendimento da sacarificação do bagaço de cana-de-açúcar por hidrolases de A. niger e para a construção de coquetéis de enzimas mais eficientes para a obtenção do etanol de segunda geração. Também possibilitou a identificação de muitas quinases e fosfatases envolvidas no sensoriamento do carbono e do estado energético, as quais demonstraram papéis sobrespostos e distintos de snfA e schA na regulação da desrepressão de CreA e na produção de enzimas hidrolíticas em A. nidulans. / The world today is faced with the prospect of a significant increase in demand for fuel ethanol. Sugarcane bagasse is among the largest agro-industrial by-products in Brazil, one of the alternatives in use for the production of second generation ethanol. Degradation of sugarcane bagasse requires the action of many different enzymes which are transcriptionally regulated. Considering that the costs of cellulases and hemicellulases contribute substantially to the price of bioethanol, new studies aimed at understanding and improving cellulase efficiency and productivity are of paramount importance. To understand how to improve enzymatic cocktails that can hydrolyze pretreated sugarcane bagasse, we used a genomics approach to investigate which genes and pathways are transcriptionally modulated during growth of A. niger on steam-exploded sugarcane bagasse. We also sought to determine whether the mRNA accumulation of several steam-exploded sugarcane bagasseinduced genes encoding putative transporters is induced by xylose and dependent on glucose. We identified 18 genes that corresponds to 58% of A. niger predicted cellulases and 21 genes that correspond to 58% of A. niger predicted hemicellulases, that were highly expressed during growth on sugarcane bagasse. The central role performed by nonessential protein kinases (NPK) and phosphatases (NPP) when grown on cellulose as a sole carbon source, in the sensing energetic status and the subsequent signalling pathways was assessed in the model filamentous fungus Aspergillus nidulans. This study identified multiple kinases and phosphatases (NPKs and NPPs, respectively) involved in the sensing of carbon or energetic status, while demonstrating the overlapping and distinct roles of snfA and schA in the regulation of CreA derepression and hydrolytic enzyme production in A.nidulans. The involvement of the identified NPKs in avicel-induced responses and CreA derepression was assessed by genome-wide transcriptomics and fluorescent microscopy of a CreA::GFP fusion proteinexpressed in the wild-type and NPK-deficient mutant backgrounds. The absence of either the schA or snfA kinase dramatically reduced cellulose-induced transcriptional responses including the expression of hydrolytic enzymes and transporters, while the absence snfA resulted in a near complete loss of wild-typecellulose-induced gene modulation. The mechanism by which these two NPKs controlled gene transcription was identified, as neither of NPK-deficient mutants were able to unlock CreA-mediated carbon catabolite repression, under derepressing conditions, such as carbon starvation or growth on cellulose. Our presently reported work opens new possibilities for understanding sugarcane biomass saccharification by A. niger hydrolases and for the construction of more efficient enzymatic cocktails for second-generation bioethanol. This work also enable the identification of multiple kinases and phosphatases involved in the sensing of carbon or energetic status, while demonstrating the overlapping and distinct roles of snfA and schA in the regulation of CreA derepression and hydrolytic enzyme production in A.nidulans.

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No. of bitstreams: 1 DissLM.pdf: 2911132 bytes, checksum: 362b734e96e18d3619903ec85dba4bb5 (MD5) Previous issue date: 2016-03-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / The use of a simplified consolidated bioprocess for the conversion of biomass using enzymes produced in-house (integrated into the process of converting lignocellulosic biomass) may enable significant increases in the production of bioethanol, without the need for expansion of cultivated area. With this motivation, the present work had as objective the study of the steps of production of (hemi)cellulases by solid-state fermentation (SSF) and the use of whole fermentation medium (WFM) for saccharification of biomass and subsequent alcoholic fermentation within the context of a consolidated bioprocess for the 2G ethanol production. To this end, firstly, the selection of the cultivation conditions for the production of enzymes directly using the sugarcane bagasse pretreated by steam explosion (SEB) as SSF substrate was studied. Thus, different fungi were cultivated in isolation and in co-cultivation, including the study of the use of wheat bran and lactose as inducers in the production of enzymes. In order to optimize the enzymatic hydrolysis (EH) step with the WFM from SSF, it was evaluated the influence of the operating parameters and the use of soy protein, Tween 80, PEG 1500 and bovine serum albumin (BSA) as additives. Finally, the alcoholic fermentation step was performed for the selected condition for the overall validation of this bioprocess. The results obtained in the conditions which maximize the production of enzymes, using SEB as substrate, were: addition of lactose at 0.075 g/g of substrate and wheat bran in the mass ratio 1:1 relative to the substrate, which led to an increase of activity of 73% for beta-glucosidase, 67% for endoglucanase, and 72% for xylanase, compared to the control condition using SEB as the substrate, without the presence of lactose or wheat bran. Cultivations under SSF followed by the EH step with the WFM showed that the co-cultivation were, in most cases, better in the conversion of SEB into fermentable sugars. The co-cultivation that presented the best result when compared to the best-isolated cultivation of Aspergillus niger was the Trichoderma reesei with Aspergillus oryzae, which has promoted an increase of 47% in the glucose production. The evaluation of operating parameters (pH, temperature and stirring) during the enzymatic hydrolysis step with the WFM from SSF showed that the saccharification process performed under the condition of pH 4.8, 200 RPM and 50 °C presented the best conversion of lignocellulosic biomass. This operational condition is the same already used in the conventional process of enzymatic hydrolysis with commercial extract enzymes. The addition of additives (soy protein and Tween 80) improved the saccharification process, whereas the addition of soy protein (0.5% w/v) lead to a 50% increase in glucose release. The alcoholic fermentation carried out for validating the overall integration process at the best condition of cultivation /hydrolysis gave a yield of 83.5% of the theoretical yield and volumetric productivity of ethanol (QP) 4.77 g/L.h. These results show that all process steps can be performed sequentially in the same reactor, thus denoting the proposed consolidated bioprocess. / A utilização de um bioprocesso consolidado simplificado para a conversão de biomassa usando enzimas produzidas in-house (integrada ao processo de conversão da biomassa lignocelulósica) pode possibilitar incrementos significativos na produção de bioetanol, sem a necessidade de expansão da área cultivada. Com esta motivação, o presente trabalho teve como objetivo o estudo das etapas de produção de (hemi)celulases por fermentação em estado sólido (FES) e a utilização do meio fermentado integral (MFI) para sacarificação da biomassa e posterior fermentação alcoólica, dentro do contexto de um bioprocesso consolidado para a produção de etanol 2G. Para este fim, primeiramente, foi estudada a seleção das condições de cultivo para a produção de enzimas usando diretamente o bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado por explosão a vapor (BEX) como substrato da FES. Assim, diferentes fungos foram cultivados de forma isolada e em cocultivo, incluindo o estudo de farelo de trigo e lactose como indutores na produção de enzimas. Para otimizar a etapa de hidrólise enzimática (HE) com o MFI da FES, avaliou-se a influência dos parâmetros operacionais e o uso de proteína de soja, Tween 80, PEG 1500 e albumina de soro bovino (BSA) como aditivos. Por fim, para a melhor condição foi realizada a etapa de fermentação alcoólica para a validação global deste bioprocesso. Os resultados obtidos para as condições que maximizam a produção de enzimas, utilizando o BEX como substrato, foram: inserção de lactose na concentração de 0,075 g/g de substrato e farelo de trigo na proporção 1:1 em massa em relação ao substrato, o que levou a um aumento de atividade de 73% para betaglicosidase, 67% para endoglucanase e 72% para xilanase, em relação à condição controle utilizando apenas BEX como substrato, sem a presença de lactose ou farelo. Os cultivos em FES seguidos pela etapa de HE com o MFI mostrou que os cocultivos foram, na maioria dos casos, melhores na conversão do BEX a açúcares fermentescíveis. O cocultivo que apresentou o melhor resultado quando comparado ao melhor cultivo isolado de Aspergillus niger foi o de Trichoderma reesei com Aspergillus oryzae, o qual promoveu um aumento de 47% na produção de glicose. A avaliação dos parâmetros operacionais (pH, temperatura e agitação) durante a etapa de hidrólise enzimática com o MFI da FES mostrou que o processo de sacarificação realizado sob a condição de pH 4,8, 200 rpm e 50 ºC apresentou a melhor conversão da biomassa lignocelulósica. Essa condição operacional é a mesma já empregada no processo convencional de HE com extrato comercial de enzimas. A utilização de aditivos (proteína de soja e Tween 80) melhorou o processo de sacarificação, sendo que a adição da proteína de soja (0,5%, m/v) promoveu um aumento de 50% na liberação de glicose. Assim, realizou-se a fermentação alcoólica para a validação do processo global de integração para a melhor condição do conjunto cultivo/hidrólise, obtendo-se um rendimento de etanol de 83,5% do rendimento teórico e uma produtividade volumétrica de etanol (QP) de 4,77 g/L.h. Esses resultados permitiram a validação do bioprocesso consolidado proposto, indicando que todas as etapas podem ser realizadas sequencialmente no mesmo reator.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5536.pdf: 2735660 bytes, checksum: 14dceb0da38443c19f1b8c8410041cad (MD5) Previous issue date: 2013-09-20 / Universidade Federal de Minas Gerais / The use of fossil fuels has a significant impact on the environment, making biofuels a renewable and friendly alternative. Brazil, as one of the leading producers of sugar and ethanol, generates as main residue sugar cane bagasse, which is usually burned for power generation. However, this biomass can be reused as raw material for the production of second generation bioethanol (2G). The consolidation of the industrial production of second-generation (2G) bioethanol relies on the improvement of the economics of the process. Thus, it is important the use of both the fermentable fractions present in sugarcane bagasse, cellulose (C6) and hemicellulose (C5), for the economically feasible process. Within this general scope, the second chapter of this thesis addresses one aspect that impacts the costs of the biochemical route for producing 2G bioethanol: defining optimal operational policies for the reactor running the enzymatic hydrolysis of the C6 biomass fraction. A simple Michaelis Menten pseudo-homogeneous kinetic model with product inhibition was used in the dynamic modeling of a fed-bath reactor, and two feeding policies were implemented and validated in bench-scale reactors processing pre-treated sugarcane bagasse. The first policy was defined with the purpose of sustaining high rates of glucose production, adding enzyme (Accellerase® 1500) and substrate simultaneously during the reaction course. The second approach applied classical optimal control theory, for determining optimal substrate feeding profiles, in order to maximize the performance index proposed. Economical criteria were used for comparing the reactor performance operating in successive batches and in fed-batch modes. Fed-batch mode was less sensitive to enzyme prices than successive batches. Process intensification in the fed-batch reactor led to final glucose concentrations around 200 g/L. The third chapter, in turn, focuses on the xylose utilization, the main sugar found in the C5 fraction, for fermentation to ethanol by yeast Saccharomyces cerevisiae. Although this yeast is not capable of fermenting xylose, it is able to ferment D-xylulose obtained by isomerisation of xylose by glucose isomerase enzyme, generating ethanol and/or xylitol as the main products. The optimization of ethanol production requires the analysis of the metabolism of xylulose. In this context, the genome-scale metabolic model iND750 was adjusted. In silico experiments were carried out using the software OptFlux and compared with experimental data of batch cultivation of S. cerevisiae, in order to validate the model and establishing relationships between fluxes of assimilating xylulose and oxygen and selectivity in the production of ethanol compared to xylitol. Experiments of simultaneous isomerization and fermentation (SIF) of xylose were carried out in a continuous bioreactor containing alginate pellets as biocatalyst with enzyme glucose isomerase and S. cerevisiae coimobilizated. Final concentrations of 6 g/L of ethanol and 5 g/L of xylitol were achieved in continuous cultivation. / A utilização de combustíveis fósseis tem um significativo impacto no meio ambiente, tornando os biocombustíveis uma alternativa renovável e ambientalmente amigável. O Brasil, por ser um dos principais produtores de açúcar e etanol, gera como principal subproduto dessa indústria, o bagaço de cana de açúcar, que é geralmente queimado para geração de energia. Entretanto, esta biomassa pode ser reaproveitada como matéria-prima para produção de bioetanol de segunda geração (2G). A consolidação da produção industrial de bioetanol 2G baseia-se na melhoria econômica do processo. É importante, assim, o uso de ambas as frações fermentáveis presentes no bagaço de cana, de celulose (C6) e de hemicelulose (C5), para viabilizar economicamente o processo. Neste âmbito geral, o segundo capítulo desta tese de doutorado aborda um aspecto que impacta os custos da rota bioquímica para a produção de bioetanol 2G: definição de políticas operacionais ótimas para um reator de hidrólise enzimática da fração C6 do bagaço de cana de açúcar. Foi utilizado um modelo cinético de Michaelis-Menten pseudohomogêneo, com inibição pelo produto, na modelagem dinâmica de um reator em batelada alimentada e duas políticas de alimentação foram implementadas e validadas em reatores de escala de bancada processando bagaço de cana pré-tratado. A primeira política de alimentação foi definida com a finalidade de sustentar elevadas taxas de produção de glicose, adicionando enzima (Accellerase® 1500) e substrato simultaneamente durante o curso da reação. A segunda política aplica a teoria clássica de controle ótimo, para determinação de perfis ótimos de alimentação de substrato, a fim de maximizar o índice de desempenho proposto. Foram usados critérios econômicos para comparar o desempenho do reator operando em bateladas sucessivas e em modos de batelada alimentada. O modo batelada alimentada foi menos sensível a alterações no preço da enzima do que bateladas sucessivas. Intensificação do processo em batelada alimentada conduziu a concentrações finais de glicose de cerca de 200 g/L. Já o terceiro capítulo foca na utilização da xilose, principal açúcar encontrado na fração C5, para fermentação a etanol pela levedura Saccharomyces cerevisiae. Embora esta levedura seja incapaz de fermentar xilose, pode fermentar a D-xilulose obtida pela isomerização de xilose pela enzima glicose isomerase, gerando etanol e/ou xilitol como produtos principais. A otimização da produção de etanol requer a análise do metabolismo da xilulose. Neste contexto, o modelo metabólico em escala genômica iND750 foi utilizado e ajustado. Experiências in silico usando o software OptFlux foram realizadas e comparadas com dados experimentais de cultivos em batelada de S. cerevisiae, com o propósito de validar o modelo e estabelecer relações entre os fluxos de assimilação de xilulose e de oxigênio e a seletividade na produção de etanol em relação a xilitol. Experimentos de isomerização e fermentação simultâneas da xilose (SIF) foram realizados em reator contínuo de leito fixo, contendo como biocatalisador pellets de alginato com enzima glicose isomerase e S. cerevisiae coimobilizadas. Concentrações finais de 6 g/L de etanol e 5 g/L de xilitol foram alcançadas em cultivo contínuo.