Orientador: Mauricio Boscolo / Banca: Vanildo Luiz Del Bianchi / Banca: George Jackson de Moraes Rocha / Resumo: Utilizando o bagaço de cana como matéria prima para a produção do etanol brasileiro pode-se aumentar a produção em 50% deste combustível sem o aumento de área cultivada com a cana de açúcar. A hidrólise química deste material demonstrou ser ineficiente à medida que gera um grande número de substâncias inibidoras do processo fermentativo alcoólico, como aldeídos furânicos e fenóis. A hidrólise enzimática vem se destacando como a forma mais viável de sacarificação do bagaço, em função de não gerar tais inibidores, mas a recalcitrância da fibra vegetal impede tal processo. A ação das enzimas hidrolíticas é muito dificultada pela forma como se encontra naturalmente a fibra vegetal: regiões de alta cristalinidade e a presença de lignina revestindo as fibras. O preparo do bagaço para a ação enzimática, normalmente denominado de pré-tratamento, utiliza condições extremas de temperatura e pressão que podem formar produtos tóxicos para a fermentação alcoólica e apresentam sérios riscos operacionais. O objetivo deste trabalho é avaliar o grau de desestruturação do bagaço após pré-tratamentos em soluções ácidas e alcalinas em glicerol e irradiadas com micro-ondas (MO) em dois modos: estático e rotativo. A melhor condição para a ação hidrolítica do complexo enzimático empregado foi obtida em meio não tamponado (água destilada) durante 24 horas. As maiores liberações de açúcares redutores totais (ART) após a hidrólise enzimática foram alcançadas quando o bagaço foi pré-tratado com irradiação de MO por dois minutos em modo rotativo em meio ácido (0,07 mol/L H2SO4) em 100% glicerol (617 ± 24 mg de ART/g de bagaço) e em meio alcalino (0,05 mol/L NaOH) em 100% glicerol... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The production of the Brazilian bioethanol can be increased in 50% without expanding the area cultivated with sugarcane by using sugarcane bagasse as raw material. Its recalcitrance is an obstacle to enzymatic hydrolysis, which can be overcome by physical-chemical treatments. Common pre-treatments using extreme conditions of temperature and pressure are dangerous, promote the generation of toxic compounds (phenols and aldehydes) besides being potentially inhibitory for yeast. The aim of this work is to assess the degree of disruption of the bagasse after pre-treatment in acidic and alkaline glycerol, irradiated with microwaves both in the static and rotational modes. The enzyme complex showed the best results with the reactions promoted in a non-buffered (distilled water) at 24 hours. The best results for the pre-treatment were found after inserting a rotation system in the microwave oven inasmuch as the samples were subjected to irradiation in a more homogeneous way. The best pre-treatment was obtained after enzymatic hydrolysis in sulfuric acid (0.07 mol/L), in pure glycerol, with the rotation of the balloon inside the microwave oven (617 ± 24 mg of ART/g bagasse). In alkaline medium, the best result was found in the absence of water in the reaction medium (0.05 mol/L NaOH) with the rotation of the balloon inside the microwave oven (601 ± 58 mg of ART/g of bagasse). Differential Scanning Calorimetry (DSC) allows to evaluate the degree of disruption of bagasse comparing the enthalpy change, which can be associated with disruption of bounds in pre-treated bagasse. Among the pre-treated bagasse, it is observed that the bagasse treated with NaOH 0.05 mol/L and 5% of water in glycerol had the lowest ΔH, suggesting greater breakdown of carbohydrates after pre-treatment / Mestre

Orientador: Marisa Spirandeli Crespi / Banca: Fernando Luis Fertonani / Banca: Luis Vitor Silva do Sacramento / Banca: Ana Maria de Guzzi Plepis / Banca: Eder Tadeu Gomes Cavalheiro / Resumo: A elucidação da estrutura da lignina, macromolécula natural amorfa, é um desafio para a pesquisa. Sua estrutura pode variar bastante de uma fonte vegetal para a outra, dependendo da sua origem. Neste trabalho, foi realizada a extração, a caracterização e o estudo cinético de decomposição térmica de ligninas obtidas a partir de duas fontes de biomassa: de bagaço de cana-de-açúcar (utilizada como referência) e dos resíduos sólidos urbanos (RSU) de leiras em diferentes estágios de compostagem. As técnicas utilizadas para a caracterização das ligninas foram: análise térmica (TG/DTA), FITR, RMN de 13C no estado sólido e fluorescência de raios-X. O estudo cinético de degradação térmica das ligninas foi realizado utilizando o método isoconversional de Flynn- Wall e Ozawa. A lignina obtida do bagaço de cana-de-açúcar apresentou-se como uma boa amostra de referência por possuir características de protolignina, sem impurezas de carboidratos associados à sua estrutura, o que pôde ser confirmado pela técnica de RMN de 13C. Já as ligninas obtidas dos RSU apresentaram decomposição térmica e grupos característicos da lignina e a presença de outros elementos complexados em sua estrutura, principalmente o íon ferro. No entanto, a presença de carbonos alifáticos comprovados pelas técnicas de TG/DTA e RMN de 13C, sugere que as ligninas extraídas dos RSU encontram-se fragmentadas. De acordo com o estudo cinético, para o primeiro evento de decomposição térmica da lignina, verificou-se o efeito de compensação cinética para as amostras de ligninas referências, bem como, para as ligninas extraídas dos RSU, levando à conclusão de que ambas apresentam a mesma composição orgânica básica. / Abstract: The elucidation of the structure of lignin, amorphous natural macromolecule, is a challenge for the research. Its structure can vary a lost from a vegetable source to other, depending on its origin. In this work, it was made the extraction, the characterization and the kinetic study of thermal decomposition of lignins obtained from two biomass sources: sugarcane bagasse (used as reference) and the urban solid residues (RSU) of stacks in different stages of composting. The techniques used for the characterization of lignins were: thermal analysis (TG/DTA), FITR, NMR 13C in the solid state and fluorescence of ray-X. The kinetic study of thermal degradation of the lignins was made using the method isoconversional of Flynn - Wall and Ozawa. Lignin obtained from sugarcane bagasse was a good reference sample for owning protolignin characteristics, without carbohydrate impurities associated in your structure, what could be confirmed by the technique of RMN 13C. By other hand, lignin obtained from RSU presented thermal decomposition and characteristic groups of lignin and the presence of other elements complexed in your structure, mainly the ion iron. However, the presence of aliphatic carbons confirmed by techniques of TG/DTA and NMR 13C, suggests that lignins extracted from RSU are fragmented. In agreement to kinetic study, for the first event of thermal decomposition of the lignin, the effect of kinetic compensation was verified for the samples of reference lignins, as well as, for lignins extracted from RSU, taking to the conclusion that both present the same basic organic composition. / Doutor

Orientador: Roberto da Silva / Banca: Paulo Seleghim Júnior / Banca: Eleni Gomes / Resumo: Neste trabalho foi estudada a utilização do ozônio como pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar para posterior hidrólise enzimática. O bagaço in natura foi caracterizado quimicamente, e após cada ensaio de pré-tratamento foram quantificados no bagaço pré-tratado: celulose, xilana, lignina ácida insolúvel (LAI), lignina ácida sóluvel (LAS) e lignina total (LT). Após os pré-tratamentos as amostras foram hidrolisadas enzimaticamente por mistura dos complexos NS50013 e NS50010 de enzimas comerciais fornecidas pela Novozymes. Foram realizados quatro ensaios de pré-tratamento, variando-se a umidade e a concentração de ozônio (gO3/h), e mantendo-se constante o fluxo 60 L/h e o tamanho de partícula em 3-5 mm. A melhor condição de ensaios encontrada foi com 40 % de umidade e 3,85 gO3/h, onde houve diminuição na quantidade de LAI de 19,54±0,03 para 6,49±0,03 %, aumento na LAS de 3,13±0,04 para 7,21±0,09 % e diminuição da LT de 22,67±0,07 para 13,70±0,12 %, comparando-se com o bagaço in natura. No mesmo ensaio houve uma conversão de hidrólise enzimática da celulose de 39,27±0,32 % no bagaço pré-tratado e 50,62±1,59 % no pré-tratado e lavado, da xilana de 55,90±0,14 % no pré-tratado e 28,14±0,75 % no pré-tratado lavado, de açúcares de 44,61±0,17 % no pré-tratado e 43,41±0,84 % no pré-tratado lavado. Houve pouco ataque do ozônio aos carboidratos em todos os ensaios, sendo o maior ataque no ensaio de melhores rendimentos supracitado, com perda de menos de 5 pontos percentuais na quantidade de celulose e pouco mais de 1 ponto percentual na quantidade de xilana. A análise de inibidores revelou baixas concentrações destes, sendo o de maior concentração o ácido acético, com 1,40040±0,07359 g·L-1 no hidrolisado. A análise das amostras pré-tratadas por micrografia eletrônica de varredura... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work was studied the utilization of the ozone as a pretreatment of the sugarcane bagasse for enzymatic hydrolysis. The in natura bagasse was chemically characterized, and after each pretreatment test was quantified in the pretreated bagasse: cellulose, xylan, acid insoluble lignin (AIL), acid soluble lignin (ASL) and total lignin (TL). After the pretreatments the samples was enzymatic hydrolyzed by a mixture of NS50013 and NS50010 complexes, of commercial enzymes provided by Novozymes. Was realize four tests of pretreatment, changing the moisture and ozone concentration (gO3/h), fixing the flux in 60 L/h and the particle size at 3-5 mm. The best condition of test was find at 40 % of moisture and 3,85 gO3/h, where was a diminution in the AIL from 19,54±0,03 to 6,49±0,03, a increase in the ASL from 3,13±0,04 to 7,21±0,09 %, and diminution of LT from 22,67±0,07 to 13,70±0,12 %, comparing to the in natura bagasse. In the same test was a conversion of enzymatic hydrolysis of the cellulose of 39,27±0,32 % in the pretreated bagasse and 50,62±1,59 % in the pretreated and washed, of xilan 55,90±0,14 % in the pretreated bagasse and 28,14±0,75 % in the pretreated and washed, of sugar 44,61±0,17 % in the pretreated bagasse and 43,41±0,84 % in the pretreated and washed. Was a little attack to the carbohydrates in all the tests, being the major attack in the test of the best yields aforementioned, with loss of less than 5 percentage points in the cellulose and little more than 1 percentage point in the amount of xylan. The inhibitors analysis showed slow concentrations of they, being the major concentration of acetic acid, with 1,40040±0,07359 g·L-1 in the hydrolyzed. The electron micrograph analysis of the pretreated samples showed that the ozone pretreatment is able to modify microscopically the bagasse, exposing the fibers and increasing the amount and size of the pores / Mestre

Orientador: Sandra Regina Pombeiro Sponchiado / Banca: Rubens Monti / Banca: Hamilton Cabral / Resumo: O bagaço de cana de açúcar (BCA) é o principal subproduto das indústrias de açúcar e álcool no Brasil e em função da sua abundância e baixo custo poderia ser usado para aumentar a produção de etanol, fornecendo vantagens econômicas e ambientais. A hidrólise enzimática é um caminho promissor para obter açúcares de BCA, mas a baixa acessibilidade enzimática da celulose nativa é a chave do problema neste processo. Por este motivo, o pré tratamento da biomassa é exigido para remover a lignina e a hemicelulose. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar o potencial biotecnológico de fungos filamentosos capazes de produzir grandes quantidades de enzimas celulolíticas utilizando o BCA como substrato com pré tratamento térmico e termo ácido. As espécies fúngicas selecionadas para este estudo foram: Aspergillus nidulans (mutante melanizado), Trichophyton terrestre e Aspergillus niger. Para o cultivo em estado sólido, o bagaço pré tratado foi inoculado com micélios ou esporos dos fungos e incubados a temperatura ambiente durante 15, 30 e 60 dias. A eficácia da hidrólise microbiana foi avaliada em relação ao açúcar total (AT), ao açúcar redutor (AR), as concentrações de fenol (Fe) e a atividade das enzimas celulolíticas (celulase, avicelase e CMCase). Os resultados mostraram que a quantidade de AT, AR e Fe foi mais elevada quando os fungos foram crescidos sobre o BCA com pré tratamento termo ácido comparado ao BCA com pré tratamento térmico. Dentre os fungos estudados, o filtrado da cultura do A. niger crescido sobre o BCA com pré tratamento termo ácido por 60 dias pode ser usado como o meio fermentativo para a produção de etanol devido a uma elevada concentração açúcar redutor (1,16% m/v ou 11,6 g.L 1 ) e de baixas concentrações de fenol (0,003% m/v ou 0,03 g.L 1 ). O nível o mais elevado de celulase... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The sugar bagasse cane (SCB) is the major by product of the sugar and alcohol industries in Brazil and in function of its abundance and low cost could be used to increase ethanol production, providing economic and environmental advantages. Enzymatic hydrolysis is a promising way for obtaining sugars from SCB, but the low enzymatic accessibility of the native cellulose is a key problem in this processes. For this reason, the pretreatment of biomass is required to remove lignin and hemicellulose. The main objective of this work was to evaluate the biotechnological potential of filamentous fungi to produce large amounts of cellulolitic enzymes using thermal and/or acid pretreated SCB as substrate. The selected fungal species for this study were: Aspergillus nidulans (melanized mutant), A. niger and Trychophyton terrestre. For cultivation in solid state, the pretreated bagasse was inoculated with mycelia or spores of the fungi and incubate at room temperature during 15, 30 and 60 days. The effectiveness of the microbial hydrolysis was evaluated in terms of total sugar (TS), reducing sugar (RS) and phenol (Phe) concentrations and also activity of cellulolitic enzymes (cellulase, avicelase and CMCase). The results showed that the amount of TS, RS and Phe was higher when the fungi grown on acid and thermal pretreated SCB compared to thermal pretreated SCB. Among fungi studied, the filtrate of A. niger culture grown on acid and thermal pretreated SCB for 60 days could be used as fermentative medium for production of ethanol due to presence of high concentration of reducing sugar (1,16% m/v or 11,6 g.L 1 ) and low amounts of phenol (0,003% m/v or 0,03 g.L 1 ). The highest level of cellulase, corresponding to 0,74 IU.mL 1 , was obtained in the A. nidulans culture after 15 days of growth. For CMCase and avicelase, the maximum activity was exhibited respectively... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Neste trabalho, foram utilizadas metodologias ópticas para estudo da interação enzimática e de pré-tratamentos da biomassa. Mudanças de carga em fibras de polpa de eucalipto foram estudadas utilizando-se uma porfirina como sonda, uma vez que influenciam na interação enzimática. Foi investigada também a influência do caráter de carga na interação com a safranina, utilizada como marcador de celulose. Estudamos o efeito do pH na interação da enzima Celobiohidrolase Cel7A (CBH I) e de seus domínios separadamente com as fibras de eucalipto por meio do método de arraste, que se baseia na centrifugação da solução dos interagentes e na análise espectroscópica do sobrenadante. Essa interação também foi estudada por microscopia de fluorescência confocal utilizando-se fluoresceína como marcador para as enzimas. Outro objetivo do trabalho foi aplicar a microscopia confocal e a microscopia de imagem de tempo de vida da fluorescência (FLIM),com excitação por um e por dois fótons, para estudar a atuação de um pré-tratamento em bagaço de cana-de-açúcar. Esse pré-tratamento teve duas etapas: a primeira com ácido e a segunda com base.Os resultados para a interação da CBH I com as fibras de eucalipto mostram que esta é influenciada por mudanças de carga tanto no módulo de ligação à celulose (CBM) quanto no domínio catalítico. Imagens espectrais de microscopia confocal indicam a presença da enzima em interstícios ao longo de toda a parede da fibra. Nas amostras de bagaço, há uma forte correlação entre os tempos de decaimento da fluorescência da lignina e sua concentração. Uma não homogeneidade nas características de fluorescência ao longo da parede celular revela domínios de níveis distintos de agregação da lignina. O pré-tratamento ácido desordena a lignina e a acumula na borda externa da parede celular. O pré-tratamento alcalino remove eficientemente a lignina do centro da parede celular, mas não é tão eficiente próximo à superfície. Uma variedade complementar de estados foi acessada pela excitação por dois fótons. Uma estreita banda de emissão e tempos longos de decaimento sugerem que no bagaço não tratado a lignina é organizada de maneira que haja uma fraca interação entre as moléculas. / Optical methodologies were used for the study of the enzymatic interaction and pretreatments of biomass. Changes of charge on eucalyptus pulp fibers were studied with the use of a porphyrin as a probe, since these changes influence on the enzymatic interaction. The influence of the charge character was also investigated for the interaction with safranin, used as cellulose labeling. We studied the pH effect on the interaction of the enzyme Cellobiohydrolase Cel7A (CBH I) and its domains separately with eucalyptus pulp fibers by the drag method, which is based on the centrifugation of the enzymes solution with the fibers and on the spectroscopic analysis of the supernatant. This interaction was also studied by confocal fluorescence microscopy with the use of fluorescein as a labeling for the enzymes. Another objective was the application of confocal microscopy and fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM), both with single-photon and two-photon excitation, in the study of a pretreatment applied in sugarcane bagasse. This pretreatment had two steps: the first one with acid and the second one with alkali. The results for the interaction between CBH I and the eucalyptus fibers show that it is influenced by changes of charge both in cellulose-binding module (CBM) and in the catalytic domain. Spectral confocal images indicate the presence of enzymes along all the cell wall. Regarding the bagasse fibers, a strong correlation was observed between the fluorescence decay time and the delignification. A non-homogeneity of the fluorescence properties along the cell wall reveal domains of lignin with different aggregation levels. The acid pretreatment disorders lignin and accumulate it on the external border of the cell wall. The alkali pretreatment removes lignin from the center of the cell wall efficiently, but it is not so effective close to the surface. A complementary variety of states was accessed by two-photon excitation. A narrow emission band and slow decay times suggest that lignin is organized in such a way that the interaction between the molecules is weak.

Atualmente, o aumento da preocupação com a sustentabilidade ambiental, alinhado às perspectivas de esgotamento das reservas de petróleo, tem direcionado às buscas por fontes renováveis de energia. O emprego de resíduos agroindustriais, principalmente de usinas sucroalcooleiras destaca-se como sendo uma alternativa para a produção de etanol de segunda geração. Dentre as metodologias aplicadas para disponibilização dos açúcares fermentescíveis está a hidrólise enzimática. Ainda, para facilitar esta etapa e torná-la mais acessível, submete-se, previamente, o material lignocelulósico a um pré-tratamento, com o objetivo de contribuir com a susceptibilidade da celulose a ataques enzimáticos. No entanto, devido à complexidade das estruturas lignocelulósicas, os processos de hidrólise e pré-tratamento precisam se tornar mais eficientes e economicamente viáveis. Desta forma, o objetivo desse trabalho foi avaliar e caracterizar os pré-tratamentos hidrotérmico e organossolve (etanol 50%), isoladamente, e estes combinados em diferentes condições, assim como a influência destes procedimentos na estrutura e composição da biomassa, bem como na hidrólise enzimática. Os resultados demonstraram que os pré-tratamentos hidrotérmicos a 160 ºC nas condições analisadas foram pouco efetivos na melhora do acesso enzimático durante a etapa de hidrólise, pois atuaram de maneira branda na parede celular, pouco solubilizando a hemicelulose e lignina, conforme as análises físicas comprovaram. Os tratamentos combinados hidrotérmico 30 min e 60 min a 160 ºC seguidos pelo organossolve por 150 min apresentaram semelhança morfológica e alta solublização da lignina e hemicelulose, justificando os valores de hidrólise. Nossos resultados abrem perspectivas de novos estudos que visam a otimização dos pré-tratamentos hidrotérmicos e organossolve, além da compreensão das alterações composicionais e morfológicas que levam à melhoria da hidrólise enzimática na biomassa lignocelulósica. / The concerns with environmental sustainability and perspectives of petroleum reserves depletion motivated exploration of new and sustainable energy sources. In this context, renewable energies start to receive significant attention in the world´s energy matrix, with biofuels playing a special role. The use of agro-industrial residues, mainly from the sugarcane industry, stands out as a viable alternative for the production of second-generation ethanol. The enzymatic hydrolysis of the biomass has a number of advantages for polysaccharides depolimerization, such as high substrate specificity, low environmental impact and lack of corrosion issues. To further facilitate this procedure and to make biomass more accessible, the lignocellulosic material has to be previously submitted to a pretreatment in order to increase the cellulose accessibility and susceptibility to the enzymatic action. This process aims at the disorganization of the chemical structure of the lignocellulosic matter, facilitating the further steps of hydrolysis and fermentation. Due to the complexity of the lignocelluloses structures, their pretreatment and hydrolysis processes have to become more efficient and economically viable to be efficiently applied at an industrial scale. Therefore, the objective of this work is to evaluate the hydrothermal and organosolv (50% ethanol) pretreatments, separately and combined in different conditions, and the influence of these procedures on the structure and composition of the biomass and on the efficiency of enzymatic hydrolyses. Our results demonstrated that the hydrothermal pretreatments at 160ºC within the analyzed reaction conditions had minor effects on improving the enzymatic efficiency, being not harsh enough to introduce significant modifications of the cell wall composition and structure, as demonstrated by our physical and chemical analyses. The combined hydrothermal treatments lasting 30 min and 60 min at 160ºC followed by the organosolv step for 150 min resulted in significant morphological changes and high lignin and hemicelluloses solubilization, resulting in an efficient enzymatic hydrolysis. Our results open perspectives of further studies aimed at optimization of hydrothermal and organosolv pretreatments and comprehension of compositional and morphological changes which lead to improved enzymatic hydrolysis of the lignocelulosic biomass.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O bagaÃo de cana-de-aÃÃcar à um resÃduo lignocelulÃsico obtido a partir do esmagamento e moagem da cana-de-aÃÃcar para extraÃÃo do seu caldo. Esta biomassa à abundante no Brasil pois, o paÃs à o maior produtor mundial de aÃÃcar e etanol. O emprego deste resÃduo como substrato, em processos fermentativos, para a produÃÃo de enzimas microbianas, como as celulases à uma opÃÃo viÃvel e interessante, uma vez que o custo destas enzimas ainda à alto, o que tem limitado sua utilizaÃÃo industrial. O potencial produtor de celulases de diversos micro-organismos tem sido extensivamente estudado, a fim de desenvolver novos bioprocessos menos onerosos na produÃÃo de enzimas celulolÃticas. No presente trabalho foram avaliadas a capacidade de produÃÃo de celulases, pelos micro-organismos Mucor circinelloides e Melanoporia sp., a partir da fermentaÃÃo em estado sÃlido do bagaÃo de cana-de-aÃÃcar e a influÃncia de alguns parÃmetros na produÃÃo da enzima. Foram investigados os seguintes parÃmetros fÃsico-quÃmicos, relacionados com o crescimento do micro-organismo e produÃÃo da enzima: pH inicial do meio de crescimento, tempo e temperatura de produÃÃo da enzima. Quanto aos parÃmetros nutricionais, o efeito do Tween 80 e de diferentes fontes de sais minerais e nitrogÃnio orgÃnico foram estudados. AlÃm disto, foram realizados ensaios no intuito de definir a melhor combinaÃÃo de pH e temperatura para a determinaÃÃo da atividade enzimÃtica. Para M. circinelloides, a atividade enzimÃtica mÃxima (15,87 FPU/g) foi obtida utilizando-se 3 g de bagaÃo, com adiÃÃo de 2,0 mL de uma soluÃÃo contendo 0,1 g/L de CuSO4, 9,0 g/L de (NH4)2SO4, 1,0 g/L de KH2PO4 e Tween 80 a 0,8% (v/v) em pH 5,48. A temperatura e o tempo que resultaram na maior produÃÃo da enzima foram 34,4 ÂC e 48 horas, respectivamente. A maior atividade enzimÃtica foi quantificada em pH 6,5 e 60 ÂC. Em relaÃÃo ao Melanoporia sp., a atividade enzimÃtica mÃxima alcanÃada foi 14,21 FPU/g como resultado da produÃÃo utilizando 3 g de bagaÃo, com adiÃÃo de 2,0 mL de uma soluÃÃo contendo 9,0 g/L de (NH4)2SO4, 1,0 g/L de KH2PO4 e Tween 80 a 0,2% (v/v) em pH 6,28. A produÃÃo mÃxima da enzima foi observada apÃs 48 horas de fermentaÃÃo a 30 ÂC. A maior atividade enzimÃtica foi quantificada em pH 7,0 e 60 ÂC. Os resultados demonstraram o elevado potencial produtor de celulases pelas duas cepas fÃngicas num curto perÃodo de tempo, apresentando maior atividade enzimÃtica em pH prÃximo da neutralidade, consistindo num diferencial atrativo do ponto de vista industrial. / Sugarcane bagasse is a lignocellulosic residue obtained from sugarcane mechanical pressing for juice extraction. This biomass is abundant in Brazil because the country is the worldâs largest manufacturer of sugar and ethanol. The use of sugarcane waste as substrate for enzymes production, such as cellulases, is an interesting and viable option since the production costs of these enzymes are high, which limits its industrial use. In this context, potential cellulase-producing strains have been extensively studied in order to develop less costly cellulolytic enzymes complexes. In this study, the production of cellulases by Mucor circinelloides. and Melanoporia sp through solid state fermentation of sugarcane bagasse and the effects of selected parameters for enzyme production were evaluated. The investigated physicochemical parameters associated with the growth of the microorganisms and enzyme production were: initial pH of the growth medium, temperature and time of enzyme production. Regarding nutritional parameters, the effect of Tween 80 and different sources of mineral salts and organic nitrogen and were studied. In addition, tests were performed in order to define the best combination of pH and temperature for the determination of enzyme activity. For M. circinelloides, the maximal enzyme activity (15.87 FPU / g) was achieved with a fermentation medium composed of 3g of sugarcane bagasse, 2mL of saline solution containing 0.1 g/L of CuSO4, 9.0 g/L of (NH4)2SO4 e 1.0 g/ L of KH2PO4 and 0.8% Tween 80 (v/v) at pH 5.48 incubated at 34.4 ÂC for 48 hours. The optimum combination of pH and temperature was at pH 6.5 and 60 ÂC. For Melanoporia sp. the higher enzymatic activity obtained was 14.21 FPU / g as a result of using 3g of sugarcane bagasse with the addition of 2mL of saline solution containing 9.0 g/L of (NH4)2SO4, 1.0 g/ L of KH2PO4 and 0.2% Tween 80 (v/v) at pH 6.28 and incubated at 30ÂC for 48 hours. The optimized conditions of pH and temperature for enzymatic activity determination were pH 7.0 and 60ÂC. The results demonstrated the high potential of the two strains under investigation, which presented the higher enzyme activity at pH in the neutral range. This result represents a technical advantage from the industrial viewpoint.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-07-19T13:51:41Z No. of bitstreams: 3 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese Cynthia Coimbra BC.pdf: 5378162 bytes, checksum: c76cbf49b8ae27ba5d421eba30de2290 (MD5) Tese Cynthia Coimbra BC.pdf: 5378162 bytes, checksum: c76cbf49b8ae27ba5d421eba30de2290 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-19T13:51:41Z (GMT). No. of bitstreams: 3 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese Cynthia Coimbra BC.pdf: 5378162 bytes, checksum: c76cbf49b8ae27ba5d421eba30de2290 (MD5) Tese Cynthia Coimbra BC.pdf: 5378162 bytes, checksum: c76cbf49b8ae27ba5d421eba30de2290 (MD5) Previous issue date: 2015-10-28 / Celulose bacteriana é um biopolímero flexível, constituído por fibras mais finas e poros menores do que as da celulose vegetal. Muitas aplicações já são conhecidas, mas ainda são necessárias informações para a viabilização de sua produção em escala industrial. Este trabalho visou contribuir com informações sobre os fatores que influenciam sua produção, sua purificação e elaboração de filmes para uso na área farmacêutica e de alimentos, bem como a interação entre estes fatores. Para tanto, foi realizado um estudo em três etapas: (1) avaliação da interação entre diversas fontes de carbono (glicose, xilose, sacarose, frutose e glicerol) e a velocidade de agitação sobre crescimento da biomassa, produção de celulose, sua capacidade de retenção de água e produção de acetana; (2) estudo do tratamento da celulose bacteriana, interrelacionando diferentes concentrações de NaOH e tempos de aquecimento em forno de micro-ondas de acordo com a efetividade de purificação e a possíveis alterações estruturais; e (3) aproveitamento da celulose produzida sob forma de filmes comestíveis, pela associação com glicerol e manitol em diferentes proporções e a caracteriação dos mesmos. Identificou-se, para as condições investigadas, que: (1) a maior produção de celulose (1,08 ± 0,07gL-1) é obtida com a mistura de glicose e frutose, em cultivo estático, já que a modificação das velocidades de agitação propiciou aumento da biomassa, sem acarretar maior produção de celulose e que as melhores condições de produção de celulose diferem das para a produção de acetana; (2) as condições ideais para a purificação da celulose é com NaOH a 0,85 mol.L-1 e 3,3 min de aquecimento em forno de micro-ondas; (3) o aquecimento a partir de 7 min promoveu modificações estruturais nos domínios cristalinos da celulose e que a partir de 12,5 min obtém-se a mercerização completa da celulose; e (4) é possível determinar as características finais dos filmes produzidos manipulando-se as proporções de manitol e glicerol associados à celulose, de forma a adequá-lo à aplicação desejada. Tais resultados conduziram à conclusão de que as determinações e os tratamentos realizados em cada uma das etapas possibilitou o conhecimento de que dois importantes fatores influenciam juntos a produção de celulose e de acetana por Gluconacetobacter xylinus, bem como a purificação de membranas de celulose e a elaboação de filmes comestíveis com possibilidade de manipulação de suas características para ampliação dos usos deste biopolímero na área farmacêutica. / Bacterial cellulose is a polymer flexible, consisting of thinner fibers and smaller pores than plant cellulose. Many applications are already known, but are still necessary more information about its production for the viability of its production on an industrial scale. This work contributed with information on the factors that influence its production, purification and preparation of films for use in pharmaceuticals and food, as well as the interaction between these factors. To this end, this thesis was prepared in three stages: (1) evaluation of the interaction of various carbon sources (glucose, xylose, sucrose, fructose and glycerol), and the stirring rate on biomass growth, cellulose production, water retention capacity and acetan production; (2) study of the treatment of the bacterial cellulose, cross correlating different concentrations of NaOH and heating time in a microwave oven according to the effectiveness of the purification and the possible structural changes; and (3) use of the cellulose produced in the form of edible films, the combination with glycerol and mannitol in different proportions and characterization thereof. It was identified that (1) higher production of pulp (1.08 ± 0.07 gL-1) was obtained with the mixture of glucose and fructose in static culture, since the modification of agitation rates resulted in an increase of the biomass, without causing larger cellulose production and the best cellulose producing conditions different from those for the production of acetan; (2) optimum conditions for the purification of cellulose is with NaOH 0.85 mol L -1 and 3.3 min of heating in microwave oven; (3) the heating from 7 min promoted structural modifications on cellulose crystalline domains and heating times from the 12.5 min cause complete mercerizing cellulose; and (4) it can determine the final characteristics of the films produced by manipulating the proportions of mannitol and glycerol associated with the cellulose in order to adjust it to the desired application. These results led to the conclusion that the proposed aims have been achieved, since the requirements and treatments carried out in each of steps allowed the understanding of how two important factors influencing together, the synthesis of cellulose and acetan by Gluconacetobacter xylinus and the purification of cellulose membranes and the preparation of edible films with the possibility of handling characteristics to expand the uses of this biopolymer in pharmaceutical area.

Orientador: Aline Carvalho da Costa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-18T09:52:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MoreiraNeto_Joao_M.pdf: 2979036 bytes, checksum: 69eb89891eb2db5e4b255279226a374e (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Este trabalho teve como objetivo estudar a modelagem matemática da hidrólise enzimática de bagaço de cana-de-açúcar submetido a três tipos de pré-tratamentos (peróxido de hidrogênio alcalino, ácido fosfórico + hidróxido de sódio e hidróxido de cálcio). O modelo cinético de sacarificação e fermentação simultâneas desenvolvido por PHILIPPIDIS et al. (1992, 1993) e PHILIPPIDIS e HATZIS (1997) foi adaptado para representar os dados experimentais do processo de hidrólise enzimática em batelada com 3% de bagaço de cana seco pré-tratado com peróxido de hidrogênio alcalino. A partir do modelo desenvolvido foi possível obter perfis de concentração dos principais componentes do processo. A estimativa simultânea dos parâmetros cinéticos do modelo matemático foi realizada pelo algoritmo genético (AG) Pikaia. Os dados utilizados no procedimento de estimação descrevem os perfis de glicose em função da concentração de enzimas (1,67 - 30 FPU/g de biomassa seca pré-tratada e 7,33 - 50 CBU/g de biomassa seca pré-tratada) e tempo de residência (0 - 72 h) durante a hidrólise. A metodologia de planejamento Plackett-Burman (PB) foi aplicada para identificar os parâmetros cinéticos que mais influenciam o comportamento dinâmico das variáveis de processo. Na etapa de re-estimação de parâmetros foram considerados dados experimentais de glicose para bagaço pré-tratado com ácido fosfórico + hidróxido de sódio e bagaço pré-tratado com hidróxido de cálcio (cal). A metodologia de estimação de parâmetros usando algoritmo foi capaz de predizer de forma satisfatória o conjunto de dados experimentais de glicose para bagaço pré-tratado com peróxido de hidrogênio alcalino. Para o bagaço pré-tratado com ácido fosfórico + hidróxido de sódio o modelo atualizado conseguiu reproduzir de forma acurada tanto o conjunto de dados utilizados no procedimento de estimação de parâmetros como os usados na validação do modelo. Já para os dados de bagaço pré-tratado com cal o modelo não conseguiu descrever alguns dados experimentais / Abstract: This work aimed to study the mathematical modeling of enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse subjected to three types of pretreatments (alkaline hydrogen peroxide, phosphoric acid + sodium hydroxide and calcium hydroxide). The kinetic model of simultaneous saccharification and fermentation developed by PHILIPPIDIS et al. (1992, 1993) and PHILIPPIDIS and HATZIS (1997) was adapted to represent the experimental data of the batch process of enzymatic hydrolysis of 3% of dry sugarcane bagasse pretreated with alkaline hydrogen peroxide. From the model developed was possible to obtain concentration profiles of the main components of the process. The simultaneous estimation of kinetic parameters of the mathematical model was performed using the Pikaia genetic algorithm (GA). The data used in the estimation procedure describe the profiles of glucose as function of enzymes concentration (1.67 - 30 FPU/g dry pretreated biomass and 7.33 - 50 CBU/g dry pretreated biomass) and residence time (0-72 h) during hydrolysis. Plackett-Burman (PB) designs were used to identify the kinetic parameters with the higher influence on the dynamic behavior of the process variables. In the step of re-estimation of parameters experimental data of glucose for bagasse pretreated with phosphoric acid + sodium hydroxide and bagasse pretreated with calcium hydroxide (lime) were considered. The methodology of parameter estimation using genetic algorithm was able to predict accurately the experimental data set of glucose for bagasse pretreated with alkaline hydrogen peroxide. For bagasse pretreated with phosphoric acid + sodium hydroxide the updated model was able to reproduce accurately both the data set used in the parameter estimation procedure and the data used for model validation. As for the data of bagasse pretreated with lime the model failed to describe some experimental data / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Arnaldo Cesar da Silva Walter / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-06T06:44:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leme_RodrigoMarcelo_M.pdf: 1179481 bytes, checksum: b6dc083cfa1e222bee869529a432cd3c (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: O objetivo desta dissertação é avaliar a emissão de gases de efeito estufa, óxidos de nitrogênio e material particulado, o uso e consumo de água e a geração de cinzas, decorrentes do aproveitamento da biomassa residual de cana-de-açúcar - bagaço e palha - como combustível, em especial para produção de eletricidade excedente. Os principais resultados obtidos demonstram que há boas oportunidades de promover a redução das emissões de gases de efeito estufa pelo uso da biomassa como combustível, em especial pela substituição de óleo combustível, em outras atividades econômicas, e também pela geração de eletricidade excedente, para ser exportada para a rede elétrica. O estudo mostra também que o setor é intensivo nas emissões de óxidos de nitrogênio e material particulado, quando se considera emissões não controladas desses poluentes. Isso faz despertar a atenção quanto à necessidade de monitoramento e controle dessas emissões. Finalmente, o estudo conclui que uso e consumo de água, já bastante intensos na atividade sucroalcooleira, deverão aumentar, caso se concretize a expansão da produção de excedentes através de turbinas de condensação / Abstract: The objective of this dissertation is to assess atmospheric emissions of greenhouse gases, nitrogen oxides and particulate matter, water use and consumption and ash generation, due to the use of sugarcane biomass residues - bagasse and trash - as fuel, specially for the production of surplus electricity, in Brazil. The main results obtained show that there are good opportunities of reducing greenhouse gases emissions by using sugarcane residues as fuel, specially in the substitution of fuel oil, in other economic activities, but also in the production of surplus electricity, to be exported to the electricity grid. The study also shows that the sugarcane sector is intensive with regard to atmospheric emissions of nitrogen oxides and particulate matter, when considering non-controlled emissions. It renders monitoring and controlling a very important issue. Finally, the study concludes that water use and consumption, already very important in the sugarcane sector, must increase if the expansion of surplus electricity production takes place by means of condensing turbines / Mestrado / Mestre em Planejamento de Sistemas Energéticos