Barley spent grain, the main residue of the brewing industry, is a lignocellulosic material, which could be considered a potential raw material for ethanol production. In this work, spent grains generated in a microbrewery were fractionated by acid hydrolysis and delignification. The investigated sort of barley spent grains had high carbohydrate content, accounting for 60% of the dry matter, while its lignin content was lower than that reported for other sorts of spent grains. Since the used spent grains contained residual starch different treatment approaches were used for separating their main components without affecting the sugars generated by starch hydrolysis. Two kinds of acid hydrolysis processes, namely single-step and two-step hydrolysis, were used for solubilising the carbohydrate fraction. Single-step hydrolysis was performed either at 100oC or at 121oC. In the two-step approach, a second hydrolysis, at 121oC, was performed after the first hydrolysis step. The dilute-acid hydrolysis at 100oC removed all the starch, whereas the hydrolysis at 121oC removed also a part of the hemicelluloses in addition to starch. During the second hydrolysis step, the content of easily hydrolysable polysaccharides decreased from 32.5 to 7.6% in the material pre-hydrolyzed at 100oC and from 20.3 to 10.6% in the material pre-hydrolyzed at 121oC. The amount of easily hydrolysable polysaccharides removed in the second step corresponded to 83% and 81.5% of the total removed matter in the materials pre-hydrolyzed at 100 and 121oC, respectively. In the next step, acetosolv and alkaline delignification, either alone or combined with acid hydrolysis, were used for dissolving the lignin fraction. A higher solubilisation occurred after alkaline delignification, where 83% of the initial material was removed. Only 34% of the initial lignin was removed by direct acetosolv, while the combined acid hydrolysis/acetosolv approach resulted in lignin removal between 70 and 75%. However, the resulted pulp still contained important amount of lignin. The acid prehydrolysis was also beneficial for alkaline delignification, but the effect was less noticeable than for acetosolv. Lignin removal increased from 95% in direct alkaline delignification to nearly 100% in the acid hydrolysis-assisted alkaline treatment. Two different methods were carried out for lignin precipitation. In the liquid fraction obtained by acetosolv, lignin was precipitated by water addition after concentration of the liquors to 75% of the initial volume. Although the visual inspection of the liquors after water addition revealed a relatively good lignin precipitation, the separation by filtration of the precipitated material was difficult, apparently due to the small particle size of precipitated lignin molecules. Some improvement was observed for the combined treatments, especially for those including two-step acid hydrolysis. The best recovery, 54% of the precipitated lignin, occurred for the process including consecutive acid hydrolyses at 100 and then at 121oC before acetosolv. In the alkaline liquors, lignin was precipitated by pH adjustment to 2.0 by HCl. Around 40.5% of the solubilised lignin was precipitated, and it increased to 85-100% when combined treatments were applied. The best results were achieved upon the treatment including acid prehydrolysis at 121oC before alkaline process.

As tecnologias de conversão de biomassa para produção de biocombustíveis são principalmente desenvolvidas de forma empírica, baseadas na compreensão das suas propriedades biológicas e químicas. Muitos estudos de variações de parâmetros de processo são realizados, porém todos encontram dificuldades na compreensão do que ocorre com o material lignocelulósico durante as reações. Neste contexto, os estudos topoquímicos tornam-se uma ferramenta de fundamental importância para elucidar estes mecanismos. Este trabalho tem por objetivo avaliar diferentes condições de pré-tratamento hidrotérmico seguida de deslignificação alcalina de bagaço e palha de cana de açúcar. E, a partir de uma condição otimizada, compreender, o que ocorre com a parede celular vegetal durante estes processos de modificação. O bagaço e a palha de cana apresentaram comportamentos distintos ao final do seu processamento. Observou-se uma maior mudança morfológica do bagaço comparado à palha, a qual apresentou exposição das fibras, porém ainda agregadas. Tal fato pode ser explicado pela menor remoção de lignina e hemicelulose desta biomassa quando comparada as mesmas condições de processamento do bagaço. Este fator contribuiu para uma maior digestibilidade da celulose de bagaço, devido a uma área maior de contato da enzima com o substrato e minimização da interferência de inibidores, como a lignina. As condições de pré-tratamento mais promissoras para o bagaço e a palha foram a 180oC por 20 e 30 min. respectivamente, mostrando que a palha necessita de tratamentos mais prolongados para obter uma maior digestibilidade no processo de hidrolise enzimática. A condição otimizada para o bagaço de cana foi utilizada para caracterização das mudanças que ocorrem nas células de parênquima e feixes vasculares do colmo da cana, em diferentes regiões de crescimento, após o seu processamento. Os resultados mostraram uma variação de tamanho das células em função do crescimento da planta sendo a diferença entre medula e casca mais pronunciada para a região do topo da cana, onde observou-se 60% de diferença no tamanho das células de parênquima. Além disso, observou-se que após processamento estas células e os feixes vasculares perderam sua conformação estrutural e tornaram-se mais frágeis, após secagem, evidenciando a significativa remoção dos componentes estruturais. Os dados de microscopia Raman revelaram que a lignina das células de parênquima foi totalmente removida após a deslignificação, diferentemente do que ocorreu com os feixes vasculares, os quais apresentaram lignina principalmente localizada nos cantos das células. Em relação à orientação de celulose foi possível determinar que a parte inicial do colmo da cana apresenta duas direções preferenciais de orientação, sendo uma paralela e outra perpendicular ao eixo de crescimento da planta, que podem estar associadas à fase de maturação da cana que se apresenta incompleta, uma vez que a parte intermediária e topo da cana apresentam apenas uma direção preferencial evidenciando que a contribuição da camada S1 é proeminente, sendo a camada secundária S2 ainda não depositada. Outro indicativo de maturação incompleta pode ser associado à porosidade do parênquima e feixes vasculares, os quais apresentam o topo da cana mais poroso, que indica um processo de lignificação incompleto. Os resultados revelam que o processo de pré-tratamento contribui para um aumento de até 54% na porosidade, sendo este tratamento o mais impactante nesta variável, uma vez que o processo de deslignificação não alterou significativamente a porosidade das células. / Studies of fuels from renewable sources are a topic of fundamental importance. Taking into account, the production of ethanol from biomass, such as bagasse and straw sugarcane, offers benefits to sustainable production and energy security. Biomass conversion technologies are mainly developed empirically, based on chemical and biological properties of biomass and many studies include variations of parameters of process. But there are difficulties to understand the changes of the lignocellulosic material during reactions. In this context, topochemical studies are a tool of significant importance to elucidate these characteristics. This study aims to evaluate different conditions of hydrothermal pretreatment followed by a fixed condition of alkaline delignification of straw and bagasse sugarcane. Additionally, this work deals the evaluation of plant cell wall modification during hydrothermal pretreatment an alkaline delignification in the optimized condition, considering the best cellulose digestibility at enzymatic hydrolysis process of bagasse. Results reveal a different behavior of bagasse and straw from sugarcane at the end of its processing. There was a greater morphological change of sugarcane bagasse compared to straw, which presented exposure of the fibers, but also aggregated. This fact can be explained by less removal of lignin and hemicellulose of this biomass compared to the same processing conditions of bagasse. The exposure of fibers contributed to increase the cellulose of bagasse digestibility, since there was a greater area of contact of the enzyme with the substrate and a minimization of interference from inhibitors, such as lignin. The conditions of pretreatment most promising for bagasse and straw sugarcane were 180oC for 20 and 30 min. respectively, showing that the straw requires longer treatments to reach a higher digestibility in the enzymatic hydrolysis process. The optimal condition for the sugarcane bagasse was used to characterize the changes in parenchyma cells and vascular bundles from stalk of sugarcane at different growth regions, after its processing. The results showed a variation of cell size depending on growth of the plant. The top of sugarcane stalk presented the more pronounced difference between parenchyma cells from pith and rind region. Furthermore, it was observed that after processing these cells and vascular bundles lost its structural conformation and become more fragile after drying. This result indicated the significant removal of the structural components for all growth region of sugarcane stalk analyzed. Differently from vascular bundles, which presented lignin mainly located in the cell corners, the lignin from parenchyma cells was completely removed after delignification. Regarding the orientation of cellulose, determined by SAXS and Raman microscopy, the parenchyma cells from initial part of stalk presented two preferential directions of orientation, one parallel and other perpendicular to the axis of plant growth. This feature may be associated with maturation phase of sugarcane which appears incomplete, since the middle and top part of the stalk showed only one preferred direction, indicating that the contribution of the layer S1 is prominent, and the S2 layer is not deposited. Another indication of incomplete maturation process may be associated with porosity of parenchyma and vascular bundles, which have the top of the cane more porous that indicates an incomplete lignification process. The results showed that the pretreatment can be considered the most important treatment which affects this variable, since promotes an increase of up to 54% in porosity, differently of alkaline delignification process which no presented significant changes in the porosity of the cells.

As tecnologias de conversão de biomassa para produção de biocombustíveis são principalmente desenvolvidas de forma empírica, baseadas na compreensão das suas propriedades biológicas e químicas. Muitos estudos de variações de parâmetros de processo são realizados, porém todos encontram dificuldades na compreensão do que ocorre com o material lignocelulósico durante as reações. Neste contexto, os estudos topoquímicos tornam-se uma ferramenta de fundamental importância para elucidar estes mecanismos. Este trabalho tem por objetivo avaliar diferentes condições de pré-tratamento hidrotérmico seguida de deslignificação alcalina de bagaço e palha de cana de açúcar. E, a partir de uma condição otimizada, compreender, o que ocorre com a parede celular vegetal durante estes processos de modificação. O bagaço e a palha de cana apresentaram comportamentos distintos ao final do seu processamento. Observou-se uma maior mudança morfológica do bagaço comparado à palha, a qual apresentou exposição das fibras, porém ainda agregadas. Tal fato pode ser explicado pela menor remoção de lignina e hemicelulose desta biomassa quando comparada as mesmas condições de processamento do bagaço. Este fator contribuiu para uma maior digestibilidade da celulose de bagaço, devido a uma área maior de contato da enzima com o substrato e minimização da interferência de inibidores, como a lignina. As condições de pré-tratamento mais promissoras para o bagaço e a palha foram a 180oC por 20 e 30 min. respectivamente, mostrando que a palha necessita de tratamentos mais prolongados para obter uma maior digestibilidade no processo de hidrolise enzimática. A condição otimizada para o bagaço de cana foi utilizada para caracterização das mudanças que ocorrem nas células de parênquima e feixes vasculares do colmo da cana, em diferentes regiões de crescimento, após o seu processamento. Os resultados mostraram uma variação de tamanho das células em função do crescimento da planta sendo a diferença entre medula e casca mais pronunciada para a região do topo da cana, onde observou-se 60% de diferença no tamanho das células de parênquima. Além disso, observou-se que após processamento estas células e os feixes vasculares perderam sua conformação estrutural e tornaram-se mais frágeis, após secagem, evidenciando a significativa remoção dos componentes estruturais. Os dados de microscopia Raman revelaram que a lignina das células de parênquima foi totalmente removida após a deslignificação, diferentemente do que ocorreu com os feixes vasculares, os quais apresentaram lignina principalmente localizada nos cantos das células. Em relação à orientação de celulose foi possível determinar que a parte inicial do colmo da cana apresenta duas direções preferenciais de orientação, sendo uma paralela e outra perpendicular ao eixo de crescimento da planta, que podem estar associadas à fase de maturação da cana que se apresenta incompleta, uma vez que a parte intermediária e topo da cana apresentam apenas uma direção preferencial evidenciando que a contribuição da camada S1 é proeminente, sendo a camada secundária S2 ainda não depositada. Outro indicativo de maturação incompleta pode ser associado à porosidade do parênquima e feixes vasculares, os quais apresentam o topo da cana mais poroso, que indica um processo de lignificação incompleto. Os resultados revelam que o processo de pré-tratamento contribui para um aumento de até 54% na porosidade, sendo este tratamento o mais impactante nesta variável, uma vez que o processo de deslignificação não alterou significativamente a porosidade das células. / Studies of fuels from renewable sources are a topic of fundamental importance. Taking into account, the production of ethanol from biomass, such as bagasse and straw sugarcane, offers benefits to sustainable production and energy security. Biomass conversion technologies are mainly developed empirically, based on chemical and biological properties of biomass and many studies include variations of parameters of process. But there are difficulties to understand the changes of the lignocellulosic material during reactions. In this context, topochemical studies are a tool of significant importance to elucidate these characteristics. This study aims to evaluate different conditions of hydrothermal pretreatment followed by a fixed condition of alkaline delignification of straw and bagasse sugarcane. Additionally, this work deals the evaluation of plant cell wall modification during hydrothermal pretreatment an alkaline delignification in the optimized condition, considering the best cellulose digestibility at enzymatic hydrolysis process of bagasse. Results reveal a different behavior of bagasse and straw from sugarcane at the end of its processing. There was a greater morphological change of sugarcane bagasse compared to straw, which presented exposure of the fibers, but also aggregated. This fact can be explained by less removal of lignin and hemicellulose of this biomass compared to the same processing conditions of bagasse. The exposure of fibers contributed to increase the cellulose of bagasse digestibility, since there was a greater area of contact of the enzyme with the substrate and a minimization of interference from inhibitors, such as lignin. The conditions of pretreatment most promising for bagasse and straw sugarcane were 180oC for 20 and 30 min. respectively, showing that the straw requires longer treatments to reach a higher digestibility in the enzymatic hydrolysis process. The optimal condition for the sugarcane bagasse was used to characterize the changes in parenchyma cells and vascular bundles from stalk of sugarcane at different growth regions, after its processing. The results showed a variation of cell size depending on growth of the plant. The top of sugarcane stalk presented the more pronounced difference between parenchyma cells from pith and rind region. Furthermore, it was observed that after processing these cells and vascular bundles lost its structural conformation and become more fragile after drying. This result indicated the significant removal of the structural components for all growth region of sugarcane stalk analyzed. Differently from vascular bundles, which presented lignin mainly located in the cell corners, the lignin from parenchyma cells was completely removed after delignification. Regarding the orientation of cellulose, determined by SAXS and Raman microscopy, the parenchyma cells from initial part of stalk presented two preferential directions of orientation, one parallel and other perpendicular to the axis of plant growth. This feature may be associated with maturation phase of sugarcane which appears incomplete, since the middle and top part of the stalk showed only one preferred direction, indicating that the contribution of the layer S1 is prominent, and the S2 layer is not deposited. Another indication of incomplete maturation process may be associated with porosity of parenchyma and vascular bundles, which have the top of the cane more porous that indicates an incomplete lignification process. The results showed that the pretreatment can be considered the most important treatment which affects this variable, since promotes an increase of up to 54% in porosity, differently of alkaline delignification process which no presented significant changes in the porosity of the cells.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3594.pdf: 4727343 bytes, checksum: 286ef46bfae3e1cd8fe2debcf9995fb6 (MD5) Previous issue date: 2011-03-29 / Financiadora de Estudos e Projetos / Sugarcane bagasse is an abundant lignocelulosic byproduct, due to the high ethanol production from sugarcane juice, which turns this residue an attractive alternative for obtaining cellulosic ethanol and other products of higher value added. However, the use of bagasse requires a pre-treatment step for better use of its fractions. It was proposed in this study, an evaluation of different operational conditions of bagasse Organsolv pre-treatment, followed or not by alkaline delignification, acid catalyzed or not, aiming the application of cellulose to ethanol production and xylan to produce xylo-oligosaccharides (XO). The pretreatment reactions were conducted in a high pressure reactor (Parr) under different temperature conditions (150, 170 and 190°C), time (10, 30, 60 and 90min), ethanol concentration (30, 50 and 70%), with solid:liquid ratio of 1:10 (w/v) and stirring speed of 300 rpm. The pre-treatments with higher severity factor were followed by delignification with 1% NaOH (w/v) at 100°C for 1 hour. Acid catalysis with 1% H2SO4 (w/w) was used in the pretreatment condition at 190°C/10min/50%ethanol with or without the alkaline delignification step. The evaluation of pre-treatment efficiency was carried out using structural, chemical and gravimetric characterization of the obtained solid fraction, cellulose enzymatic conversion in the hydrolysis of this fraction and ethanol yield after hydrolisate fermentation. The liquid fraction was characterized with respect to its xylan yield and the ratio obtained between xylan oligomers and xylose. The conditions of higher severity factor presented higher lignin and hemicelulose solubilization with average values of 80% and 86,3%, respectively, and average cellulose degradation of 2,4%. The same conditions, when associated with alkaline delignification, led to a increase on lignin and hemicelulose solubilization, 89,7% and 96,8%, respectively. However, the average initial cellulosic fraction loss of 14% was depicted. The use of acid catalyst, despite having promoted increase in solubilization of lignin (4%) and hemicelulose (12%), led to a expressive degradation of the cellulosic fraction, with mass loss of 34% and 12,6%, with and without alkaline delignification, respectively. The pre-treatment condition at 190°C/10min/50%ethanol promoted a higher enzymatic conversion (61,2%) with cellulose degradation of only 1% and after alkaline delignification step, reached 88,2%. The alkaline delignification led to a conversion increase for all the conditions tested, but also led to significant cellulose losses. On the other hand, the use of the acid catalyst had no significant effect on enzymatic hydrolysis. The fermentation of the hydrolisates was equally satisfactory for all the conditions evaluated, with average yield of 80%. The SEM analysis showed changes on the morphological structure of the fiber compared to the in natura bagasse, for the different pre-treatment conditions. The black liquor obtained after the pretreatment was evaluated with respect to its hemicelulosic fraction, obtaining 54,5% of xylooligomers and only 2% of xylose at the best condition (170°C/60min/50%ethanol), with 75% of recovery yield of xylan initially present in the bagasse. / Bagaço de cana é um subproduto lignocelulósico abundante no Brasil, devido à alta produção de etanol a partir do caldo de cana-de-açúcar, o que torna esse material uma atraente alternativa para obtenção de etanol celulósico e outros produtos de maior valor agregado. O uso de bagaço, entretanto, requer etapa de pré-tratamento para melhor aproveitamento de suas frações. Neste trabalho, propôs-se avaliar diferentes condições operacionais de pré-tratamento organossolve do bagaço, seguido ou não de deslignificação alcalina, catalisado ou não com ácido, visando à aplicação da celulose para produção de etanol e da xilana para produção de xilooligossacarídeos (XOS). As reações de pré-tratamento foram realizadas em reator de alta pressão (Parr) sob diferentes condições de temperatura (150, 170 e 190°C), tempo (10, 30, 60 e 90min), concentração de etanol (30, 50 e 70%), com relação sólido:líquido de 1:10 (m/v) e agitação de 300 rpm. Os pré-tratamentos com maior grau de severidade foram seguidos de deslignificação com NaOH 1% (m/v) a 100°C por 1h. Catálise ácida com H2SO4 1% (m/m) foi utilizada na condição de tratamento a 190°C/10min/50% etanol com e sem a etapa de deslignificação alcalina. A avaliação de eficiência do pré-tratamento foi feita através da caracterização estrutural, química e gravimétrica da fração sólida obtida, da conversão enzimática da celulose na hidrólise dessa fração e do rendimento em etanol após fermentação do hidrolisado. A fração líquida foi caracterizada quanto ao rendimento da extração de xilana e à proporção obtida entre oligômeros de xilana e xilose. As condições de maior grau de severidade para os pré-tratamentos apresentaram maior solubilização de lignina e hemicelulose com média de 80% e 86,3%, respectivamente, e degradação média de celulose de 2,4%. Essas mesmas condições, quando acrescidas de deslignificação alcalina, levaram a aumento na solubilização de lignina e hemicelulose, 89,7% e 96,8%, respectivamente, porém houve uma perda média de 14% da fração celulósica inicial. Já o uso de catalisador ácido, embora tenha promovido aumento na solubilização de lignina (4%) e de hemicelulose (12%), levou a uma expressiva degradação da fração celulósica, com perda mássica de 34% e 12,6%, com e sem a etapa de deslignificação alcalina, respectivamente. A condição de pré-tratamento a 190°C/10min/50% etanol promoveu maior conversão enzimática (61,2%) com degradação de apenas 1% de celulose e, após etapa de deslignificação alcalina, atingiu 88,2%. A deslignificação alcalina conduziu a aumento na conversão para todas as condições testadas, mas também levou a perdas significativas de celulose. Por outro lado, o uso de catalisador ácido não teve efeito significativo na hidrólise enzimática. A fermentação desses hidrolisados foi igualmente satisfatória para todas as condições avaliadas, com rendimento médio de 80%. As análises de MEV mostraram alterações na estrutura morfológica da fibra em relação ao bagaço in natura, para as diferentes condições de pré-tratamento. O licor negro obtido após pré-tratamento foi avaliado quanto sua fração hemicelulósica obtendo, para a melhor condição (170°C/60min/50% etanol), 54,5% de xilooligômeros e apenas 2% de xilose, com rendimento de 75% na recuperação da xilana presente inicialmente no bagaço.