Dentre as principais preocupações relacionadas à cadeia de produção do biodiesel está o excedente de glicerina bruta. Esta corresponde a cerca de 10% da massa total resultante do processo de produção do biodiesel e vem sendo acumulada e armazenada nas usinas, formando grandes estoques de resíduos e deixando diversas empresas diante de um passivo ambiental agravante. Uma forma de diminuir esse problema é utilizá-la para formulação de meios de fermentação para obtenção de produtos de interesse econômico. Exemplos são as produções de dióis como; 1,3-Propanodiol (1,3-PD) e 2,3-Butanodiol (2,3-BD). Estes são monômeros de grande aplicação no mercado, sendo o 1,3-PD usado para fabricação de poliuretanos, compostos cíclicos e novos tipos de poliésteres. O 2,3-BD é utilizado como anticongelante, biocombustível e como um importante aromatizante. Assim, no presente trabalho propõe-se valorizar a glicerina residual da fabricação de biodiesel, visando sua bioconversão em 2,3-BD e 1,3-PD, pela bactéria Klebsiella pneumoniae NRRL B199. Para tanto, a proposta deste trabalho compreendeu quatro etapas conjuntas: 1. Estabelecer um tratamento adequado para a glicerina residual de forma a permitir o crescimento bacteriano e formação dos dióis. 2. Adequar à composição do meio de fermentação, quanto às concentrações de glicerol, com suplementação de glicose, extrato de levedura e elementos traço Fe2+, Zn2+ e Mn2+ no processo fermentativo. 3. Definir a melhor condição de transferência de oxigênio em sistema descontínuo, associada à concentração de substrato, para a melhor formação de produtos. 4. Avaliar o procedimento de separação dos produtos do meio pela técnica de salting-out. Os estudos da etapa 1 e 2 foram realizados em frascos Erlenmeyer de 250 mL com 50 mL de meio. Na etapa 3, o estudo de aeração e agitação foi realizado em fermentador Bioflo III (New Brunswick Sci. Co.) de 1,25 L. Com os resultados obtidos, concluiu-se que o tratamento realizado foi adequado para o emprego da glicerina residual como fonte de carbono para o crescimento da bactéria Klebsiella pneumoniae. Além disso, os trabalhos realizados em frascos revelaram uma produção máxima, em agitação de 200 rpm, de 0,545 g/L.h de 2,3-BD e produção de 0,180 g/L.h de 1,3-PD em agitação de 160 rpm. Sendo que a glicose e o extrato de levedura tiveram efeitos positivos e significativos na produtividade de 2,3-BD e 1,3-PD. Nos ensaios onde foram utilizados maiores transferência de oxigênio observou-se decréscimos na produção de 1,3-PD e uma melhora significativa na produção de 2,3-BD. No estudo de recuperação dos dióis, foi possível recuperar 82% dos dióis utilizando carbonato de potássio 70% na temperatura de 20 ºC e no tempo de reação de 6 horas. / Among the main concerns related to the production of biodiesel is the surplus of crude glycerine. This corresponds to approximately 10% of the total mass of the biodiesel production process and has been accumulated and stored in the biodiesel plants, creating enormous amounts of waste and serious environmental problems. A way to lessen this problem is to use it for the formulation of fermentation medium to obtain products of economic interest. Examples are the production of diols such as, 1,3-propanediol (1,3-PD) and 2,3-butanediol (2,3-BD). These monomers are large market application, and the 1,3-PD used for the manufacture of polyurethanes, cyclic compounds and new types of polyesters. The 2,3-BD is used as antifreeze, biofuel and as an important flavoring. Thus, in present work aims to enrich the residual glycerine from biodiesel production to its bioconversion in 2,3-BD and 1,3-PD by bacterium Klebsiella pneumoniae NRRL B199. Therefore, the purpose of this consisted of four joint steps: 1st. Establish an appropriate treatment for residual glycerine to allow bacterial growth and diols formation. 2nd. To adapt the composition of fermentation medium, as concentrations of residual glycerine, with glucose supplementation, yeast extract and trace elements of Fe2+, Zn2+ e Mn2+ in the fermentation process. 3rd. Define the best condition of oxygen transfer in a batch system, associated with substrate concentration for the best product formation. 4th. To evaluate the separation procedure of products through the of salting-out technique. Studies of step 1 and 2 were conducted in 250 mL Erlenmeyer flasks with 50 mL medium. In step 3, the study aeration and agitation was performed in Bioflo III fermentor (New Brunswick Sci Co.) was 1,25 L. With the results, it was concluded that the treatment was adequate for use of residual glycerine as carbon source for growth of the bacterium Klebsiella pneumoniae. Furthermore, the work carried out on bottles showed a maximum production 2,3-BD of 0.545 g/L.h in agitation of 200 rpm and production 1,3-PD of 0.180 g/Lh in agitation of 160 rpm. With glucose and yeast extract had positive and significant effects on productivity of 2,3-BD and 1,3-PD. For tests were used higher oxygen transfer observed decrease in the production of 1,3-PD and a significant improvement in the production of 2,3-BD. In the study of recovery of diols, it was possible to recover 82% of diols using 70% potassium carbonate at temperature of 20 °C and in reaction time of 6 hours.

Dentre as principais preocupações relacionadas à cadeia de produção do biodiesel está o excedente de glicerina bruta. Esta corresponde a cerca de 10% da massa total resultante do processo de produção do biodiesel e vem sendo acumulada e armazenada nas usinas, formando grandes estoques de resíduos e deixando diversas empresas diante de um passivo ambiental agravante. Uma forma de diminuir esse problema é utilizá-la para formulação de meios de fermentação para obtenção de produtos de interesse econômico. Exemplos são as produções de dióis como; 1,3-Propanodiol (1,3-PD) e 2,3-Butanodiol (2,3-BD). Estes são monômeros de grande aplicação no mercado, sendo o 1,3-PD usado para fabricação de poliuretanos, compostos cíclicos e novos tipos de poliésteres. O 2,3-BD é utilizado como anticongelante, biocombustível e como um importante aromatizante. Assim, no presente trabalho propõe-se valorizar a glicerina residual da fabricação de biodiesel, visando sua bioconversão em 2,3-BD e 1,3-PD, pela bactéria Klebsiella pneumoniae NRRL B199. Para tanto, a proposta deste trabalho compreendeu quatro etapas conjuntas: 1. Estabelecer um tratamento adequado para a glicerina residual de forma a permitir o crescimento bacteriano e formação dos dióis. 2. Adequar à composição do meio de fermentação, quanto às concentrações de glicerol, com suplementação de glicose, extrato de levedura e elementos traço Fe2+, Zn2+ e Mn2+ no processo fermentativo. 3. Definir a melhor condição de transferência de oxigênio em sistema descontínuo, associada à concentração de substrato, para a melhor formação de produtos. 4. Avaliar o procedimento de separação dos produtos do meio pela técnica de salting-out. Os estudos da etapa 1 e 2 foram realizados em frascos Erlenmeyer de 250 mL com 50 mL de meio. Na etapa 3, o estudo de aeração e agitação foi realizado em fermentador Bioflo III (New Brunswick Sci. Co.) de 1,25 L. Com os resultados obtidos, concluiu-se que o tratamento realizado foi adequado para o emprego da glicerina residual como fonte de carbono para o crescimento da bactéria Klebsiella pneumoniae. Além disso, os trabalhos realizados em frascos revelaram uma produção máxima, em agitação de 200 rpm, de 0,545 g/L.h de 2,3-BD e produção de 0,180 g/L.h de 1,3-PD em agitação de 160 rpm. Sendo que a glicose e o extrato de levedura tiveram efeitos positivos e significativos na produtividade de 2,3-BD e 1,3-PD. Nos ensaios onde foram utilizados maiores transferência de oxigênio observou-se decréscimos na produção de 1,3-PD e uma melhora significativa na produção de 2,3-BD. No estudo de recuperação dos dióis, foi possível recuperar 82% dos dióis utilizando carbonato de potássio 70% na temperatura de 20 ºC e no tempo de reação de 6 horas. / Among the main concerns related to the production of biodiesel is the surplus of crude glycerine. This corresponds to approximately 10% of the total mass of the biodiesel production process and has been accumulated and stored in the biodiesel plants, creating enormous amounts of waste and serious environmental problems. A way to lessen this problem is to use it for the formulation of fermentation medium to obtain products of economic interest. Examples are the production of diols such as, 1,3-propanediol (1,3-PD) and 2,3-butanediol (2,3-BD). These monomers are large market application, and the 1,3-PD used for the manufacture of polyurethanes, cyclic compounds and new types of polyesters. The 2,3-BD is used as antifreeze, biofuel and as an important flavoring. Thus, in present work aims to enrich the residual glycerine from biodiesel production to its bioconversion in 2,3-BD and 1,3-PD by bacterium Klebsiella pneumoniae NRRL B199. Therefore, the purpose of this consisted of four joint steps: 1st. Establish an appropriate treatment for residual glycerine to allow bacterial growth and diols formation. 2nd. To adapt the composition of fermentation medium, as concentrations of residual glycerine, with glucose supplementation, yeast extract and trace elements of Fe2+, Zn2+ e Mn2+ in the fermentation process. 3rd. Define the best condition of oxygen transfer in a batch system, associated with substrate concentration for the best product formation. 4th. To evaluate the separation procedure of products through the of salting-out technique. Studies of step 1 and 2 were conducted in 250 mL Erlenmeyer flasks with 50 mL medium. In step 3, the study aeration and agitation was performed in Bioflo III fermentor (New Brunswick Sci Co.) was 1,25 L. With the results, it was concluded that the treatment was adequate for use of residual glycerine as carbon source for growth of the bacterium Klebsiella pneumoniae. Furthermore, the work carried out on bottles showed a maximum production 2,3-BD of 0.545 g/L.h in agitation of 200 rpm and production 1,3-PD of 0.180 g/Lh in agitation of 160 rpm. With glucose and yeast extract had positive and significant effects on productivity of 2,3-BD and 1,3-PD. For tests were used higher oxygen transfer observed decrease in the production of 1,3-PD and a significant improvement in the production of 2,3-BD. In the study of recovery of diols, it was possible to recover 82% of diols using 70% potassium carbonate at temperature of 20 °C and in reaction time of 6 hours.

O Capítulo 1 descreve a produção de celulases por 4 linhagens fúngicas de ambiente marinho (Aspergillus sydowii CBMAI 934, A. sydowii CBMAI 935, Penicillium citrinum CBMAI 1186 e Mucor racemosus CBMAI 847) e uma linhagem de ambiente terrestre (Aspergillus sp. CBMAI 1198) cultivados em meio sólido composto por farelo de trigo (5 g) e solução de peptona (0,75 g.L-1) enriquecida com sais inorgânicos. Foram realizadas otimizações da temperatura, pH inicial e umidade do meio de cultura das linhagens obtendo-se maiores atividades celulolíticas na faixa de temperatura entre 25-35 °C, com exceção do fungo A. sydowii CBMAI 935 que foi de 40 °C, e valores diferentes de pH ótimo, desde condições acídicas até alcalinas, bem como valores diferentes de teor de umidade ótima. Quando avaliou-se a influência do pH, da temperatura e do volume de extrato enzimático durante a hidrólise do papel de filtro cada conjunto de celulases produzidas apresentou pontos ótimos diferentes entre elas, e em alguns casos, dois valores ótimos de pH e temperatura. As celulases produzidas nas condições ótimas determinadas foram aplicadas na hidrólise da celulose do bagaço da cana-de-açúcar pré-tratado usando-se 10 U FPU/g de bagaço de cana-de-açúcar. As celulases dos fungos Aspergillus sp. CBMAI 1198 e A. sydowii CBMAI 934 apresentaram a maior capacidade para hidrolisar o bagaço da cana-de-açúcar pré-tratado, 75% e 78% de degradação do material lignocelulósico, respectivamente. No Capítulo 2 foi avaliada a capacidade de 6 bactérias isoladas de turfeira (Bacillus subtilis LQOB-SE1, B. coagulans LQOB-SE2, B. pumilus LQOB-SE3, Brevibacillus brevis LQOB-SE4, Lysinibacillus sp. LQOB-SE5 e Serratia marcescens LQOB-SE6) em produzir 2,3-butanodiol a partir da fermentação de glicerol e a bactéria que apresentou tal capacidade (S. marcescens LQOB-SE6) foi usada para produzir 2,3-butanodiol também a partir da fermentação de glicose visando o reaproveitamento dos resíduos gerados na produção de biodiesel e de etanol. As melhores condições para o uso do glicerol foram: pH inicial 7, Caldo nutriente 8 g.L-1, concentração inicial de glicerol 50 g.L-1 e tempo de cultivo de 7 dias. Foram obtidos bons rendimento (0,30 g.g-1), produtividade (0,13 g.L-1.h-1) e concentração máxima de 2,3-butanodiol (22,4 g.L-1). As melhores condições para a fermentação da glicose foram: pH inicial 7, Caldo nutriente 8 g.L-1, concentração inicial de glicose 75 g.L-1 e tempo de cultivo de 5 dias. Obteve-se um rendimento de 0,42 g.g-1 em 5 dias de fermentação, produtividade de 0,45 g.L-1.h-1 após 2 dias e concentração máxima de 2,3-butanodiol de 31,2 g.L-1. A produção de 2,3-butanodiol a partir do hidrolisado gerado na hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar pelas celulases do fungo de ambiente marinho A. sydowii CBMAI 934 não foi observada devido à baixa concentração de açúcares no hidrolisado. Os resultados obtidos nesta tese mostram o potencial biotecnológico da microbiota fúngica e bacteriana isoladas de diferentes biomas brasileiros. / In Chapter 1 it is reported the cellulase production by 4 marine-derived fungi strains (Aspergillus sydowii CBMAI 934, A. sydowii CBMAI 935, Penicillium citrinum CBMAI 1186 and Mucor racemosus CBMAI 847) and 1 terrestrial fungi strain (Aspergillus sp. CBMAI 1198). They were grown in solid state fermentation using wheat straw as substrate (5 g) and with addition of peptone solution (0,75 g.L-1) enriched with inorganic salts. It was performed the enhancement of the growth conditions by changing the temperature, initial pH and moisture. The optimum temperature for all strains varied between 25-35 °C but A. sydowii CBMAI 935 with 40 °C. The optimum pH was different for each strain, varying from acidic to alkaline conditions. The optimum moisture content also varied accordingly the studied strain. In order enhance the cellulose hydrolysis performed by the produced cellulases, it was varied the pH, temperature and amount of the crude cellulase extract during the filter paper hydrolysis reaction. The obtained optimum values were different among strains and, in some cases, there were two optimum pH and temperature for the hydrolysis of the filter paper. Then, the obtained cellulases, using the best conditions for hydrolysis, were used in the sugarcane bagasse hydrolysis (10 FPU/g of sugarcane bagasse). The cellulases from the strains Aspergillus sp. CBMAI 1198 and A. sydowii CBMAI 934 were capable of degrading 75% and 78% of the sugarcane bagasse, respectively, generating reducing sugars. In Chapter 2, the capability of 6 strains (Bacillus subtilis LQOB-SE1, B. coagulans LQOB-SE2, B. pumillus LQOB-SE3, Brevibacillus brevis LQOB-SE4, Lysinibacillus sp. LQOB-SE5 and Serratia marcescens LQOB-SE6), isolated from peat soil, of producing 2,3-butanediol from glycerol fermentation. The only strain that produced 2,3-butanediol was S. marcescens LQOB-SE6, which was also applied in 2,3-butanediol production from glucose fermentation. Therefore, wastes from biodiesel and bioethanol production can be reused in industrial scale. The best conditions for glycerol fermentation: initial pH 7, Nutrient Broth (8 g.L-1), initial glycerol concentration (50 g.L-1) and fermentation time of 7 days. It were obtained good yield (0.30 g.g-1), productivity (0.13 g.L-1.h-1) and 2,3-butanodiol concentration (22.4 g.L-1). The best conditions for glucose fermentation: initial pH 7, Nutrient Broth (8 g.L-1), initial glucose concentration (75 g.L-1) and fermentation time of 5 days. It were also obtained good yield (0.42 g.g-1) and 2,3-butanodiol concentration (31.2 g.L-1) after 5 days and productivity (0.45 g.L-1.h-1) after 2 days. The 2,3-butanediol production from the hydrolysate of sugarcane bagasse, obtained by using cellulases from A. sydowii CBMAI 934, was not observed due the low sugar concentration in the hydrolysate.

O Capítulo 1 descreve a produção de celulases por 4 linhagens fúngicas de ambiente marinho (Aspergillus sydowii CBMAI 934, A. sydowii CBMAI 935, Penicillium citrinum CBMAI 1186 e Mucor racemosus CBMAI 847) e uma linhagem de ambiente terrestre (Aspergillus sp. CBMAI 1198) cultivados em meio sólido composto por farelo de trigo (5 g) e solução de peptona (0,75 g.L-1) enriquecida com sais inorgânicos. Foram realizadas otimizações da temperatura, pH inicial e umidade do meio de cultura das linhagens obtendo-se maiores atividades celulolíticas na faixa de temperatura entre 25-35 °C, com exceção do fungo A. sydowii CBMAI 935 que foi de 40 °C, e valores diferentes de pH ótimo, desde condições acídicas até alcalinas, bem como valores diferentes de teor de umidade ótima. Quando avaliou-se a influência do pH, da temperatura e do volume de extrato enzimático durante a hidrólise do papel de filtro cada conjunto de celulases produzidas apresentou pontos ótimos diferentes entre elas, e em alguns casos, dois valores ótimos de pH e temperatura. As celulases produzidas nas condições ótimas determinadas foram aplicadas na hidrólise da celulose do bagaço da cana-de-açúcar pré-tratado usando-se 10 U FPU/g de bagaço de cana-de-açúcar. As celulases dos fungos Aspergillus sp. CBMAI 1198 e A. sydowii CBMAI 934 apresentaram a maior capacidade para hidrolisar o bagaço da cana-de-açúcar pré-tratado, 75% e 78% de degradação do material lignocelulósico, respectivamente. No Capítulo 2 foi avaliada a capacidade de 6 bactérias isoladas de turfeira (Bacillus subtilis LQOB-SE1, B. coagulans LQOB-SE2, B. pumilus LQOB-SE3, Brevibacillus brevis LQOB-SE4, Lysinibacillus sp. LQOB-SE5 e Serratia marcescens LQOB-SE6) em produzir 2,3-butanodiol a partir da fermentação de glicerol e a bactéria que apresentou tal capacidade (S. marcescens LQOB-SE6) foi usada para produzir 2,3-butanodiol também a partir da fermentação de glicose visando o reaproveitamento dos resíduos gerados na produção de biodiesel e de etanol. As melhores condições para o uso do glicerol foram: pH inicial 7, Caldo nutriente 8 g.L-1, concentração inicial de glicerol 50 g.L-1 e tempo de cultivo de 7 dias. Foram obtidos bons rendimento (0,30 g.g-1), produtividade (0,13 g.L-1.h-1) e concentração máxima de 2,3-butanodiol (22,4 g.L-1). As melhores condições para a fermentação da glicose foram: pH inicial 7, Caldo nutriente 8 g.L-1, concentração inicial de glicose 75 g.L-1 e tempo de cultivo de 5 dias. Obteve-se um rendimento de 0,42 g.g-1 em 5 dias de fermentação, produtividade de 0,45 g.L-1.h-1 após 2 dias e concentração máxima de 2,3-butanodiol de 31,2 g.L-1. A produção de 2,3-butanodiol a partir do hidrolisado gerado na hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar pelas celulases do fungo de ambiente marinho A. sydowii CBMAI 934 não foi observada devido à baixa concentração de açúcares no hidrolisado. Os resultados obtidos nesta tese mostram o potencial biotecnológico da microbiota fúngica e bacteriana isoladas de diferentes biomas brasileiros. / In Chapter 1 it is reported the cellulase production by 4 marine-derived fungi strains (Aspergillus sydowii CBMAI 934, A. sydowii CBMAI 935, Penicillium citrinum CBMAI 1186 and Mucor racemosus CBMAI 847) and 1 terrestrial fungi strain (Aspergillus sp. CBMAI 1198). They were grown in solid state fermentation using wheat straw as substrate (5 g) and with addition of peptone solution (0,75 g.L-1) enriched with inorganic salts. It was performed the enhancement of the growth conditions by changing the temperature, initial pH and moisture. The optimum temperature for all strains varied between 25-35 °C but A. sydowii CBMAI 935 with 40 °C. The optimum pH was different for each strain, varying from acidic to alkaline conditions. The optimum moisture content also varied accordingly the studied strain. In order enhance the cellulose hydrolysis performed by the produced cellulases, it was varied the pH, temperature and amount of the crude cellulase extract during the filter paper hydrolysis reaction. The obtained optimum values were different among strains and, in some cases, there were two optimum pH and temperature for the hydrolysis of the filter paper. Then, the obtained cellulases, using the best conditions for hydrolysis, were used in the sugarcane bagasse hydrolysis (10 FPU/g of sugarcane bagasse). The cellulases from the strains Aspergillus sp. CBMAI 1198 and A. sydowii CBMAI 934 were capable of degrading 75% and 78% of the sugarcane bagasse, respectively, generating reducing sugars. In Chapter 2, the capability of 6 strains (Bacillus subtilis LQOB-SE1, B. coagulans LQOB-SE2, B. pumillus LQOB-SE3, Brevibacillus brevis LQOB-SE4, Lysinibacillus sp. LQOB-SE5 and Serratia marcescens LQOB-SE6), isolated from peat soil, of producing 2,3-butanediol from glycerol fermentation. The only strain that produced 2,3-butanediol was S. marcescens LQOB-SE6, which was also applied in 2,3-butanediol production from glucose fermentation. Therefore, wastes from biodiesel and bioethanol production can be reused in industrial scale. The best conditions for glycerol fermentation: initial pH 7, Nutrient Broth (8 g.L-1), initial glycerol concentration (50 g.L-1) and fermentation time of 7 days. It were obtained good yield (0.30 g.g-1), productivity (0.13 g.L-1.h-1) and 2,3-butanodiol concentration (22.4 g.L-1). The best conditions for glucose fermentation: initial pH 7, Nutrient Broth (8 g.L-1), initial glucose concentration (75 g.L-1) and fermentation time of 5 days. It were also obtained good yield (0.42 g.g-1) and 2,3-butanodiol concentration (31.2 g.L-1) after 5 days and productivity (0.45 g.L-1.h-1) after 2 days. The 2,3-butanediol production from the hydrolysate of sugarcane bagasse, obtained by using cellulases from A. sydowii CBMAI 934, was not observed due the low sugar concentration in the hydrolysate.