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

O presente trabalho teve como objetivo estudar a viabilidade da utilização de cinzas de resíduos agroindustriais (bagaço de cana-de-açúcar, cama de frango e casca de arroz) como aditivos minerais substitutos ao cimento Portland, na produção de compósitos fibrosos e concreto leve. As cinzas foram obtidas através da queima e moagem controlada dos resíduos, e tiveram suas características químicas e físicas analisadas. Além do \"compósito referência\" (0% de substituição), os compósitos fibrosos foram produzidos com teores de substituição de cimento Portland de 10%, 15% e 20%, e os concretos leves foram produzidos com 10% de substituição. Foram realizados ensaios físicos e mecânicos nos compósitos fibrosos e concreto leve. Os resultados mostraram que as cinzas de casca de arroz apresentaram propriedades pozolânicas e que podem ser empregadas para a produção dos compósitos fibrosos e concretos leve. No estudo com compósitos fibrosos, os resultados físicos e mecânicos em sua maioria indicaram que a cinza de casca de arroz apresentou os melhores resultados. Como não apresentaram propriedades pozolânicas, as cinzas de bagaço de cana-de-açúcar e cama de frango, mesmo apresentando bons resultados, podem ser utilizadas como \"micro-fillers\". No estudo com concreto leve, a cinza de casca de arroz também se apresentou como melhor substituto para o cimento Portland por apresentar os melhores resultados nos ensaios realizados. / This research examines the viability of the use of waste agro industrials ashes (sugar cane bagasse, poultry litter and rice husk) and mineral additives substitutes to Portland cement in the production of composite fiber and lightweight concrete. The ashes were obtained through controlled burns and milling waste, and had their chemical and physical characteristics analyzed. Besides the \"composite reference\" (0% substitution), the fiber composites were produced with levels of replacement of Portland cement, 10%, 15% and 20%, and lightweight concrete were produced with 10% of replacement. Were tested on physical and mechanical fiber composites and lightweight concrete. The results showed that the ashes of rice husk had pozolanic properties and can be used for the production of fiber composite and lightweight concrete. In the study with fiber composites, the results physical and mechanical mostly indicated that the rice husk ash showed the best results. As there had pozolanics properties, the ashes of sugar cane bagasse and poultry litter, even showing good results, can be used as \"micro-fillers\". In the study with lightweight concrete, the ash of rice husk is also presented as a better replacement for Portland cement by presenting the best results in tests.

O presente trabalho propõe o uso das cinzas de dois resíduos agroindustriais - casca de arroz e bagaço de cana-de-açúcar - como fonte de sílica (SiO2) para a síntese de sílicas mesoporosas altamente ordenadas. Esta aplicação, além de agregar valor aos resíduos, busca uma alternativa ao tetraetil ortossicato, uma fonte de sílica dispendiosa, cuja obtenção resulta em danos ambientais. Amostras de cascas arroz de quatro procedências distintas foram caracterizadas por termogravimetria/ termogravimetria derivada (TG/DTG), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e análise elementar de CHN. Com base nestes resultados, duas amostras foram selecionadas para obtenção de sílica. Outras duas amostras de bagaço de cana-de-açúcar de origens diferentes foram também caracterizadas por esta metodologia. Para melhor entender as etapas de degradação térmica da matéria orgânica, os resultados de TG/DTG foram associados aos de FT-IR e um estudo cinético por TG foi realizado. Diferentes tratamentos em meio ácido, com o objetivo de remover impurezas e reduzir o tempo necessário para calcinação dos materiais, foram realizados. O método escolhido para cada um dos materiais foi definido a partir dos testes e por avaliação de resultados de TG/DTG. As cinzas obtidas após calcinação em mufla dos materiais com e sem tratamento ácido prévio, foram caracterizadas por MEV/EDS, DRX e isotermas de adsorção/dessorção de N2. As cinzas das amostras com tratamento apresentaram maior pureza que as não tratadas e, para as obtidas a partir casca de arroz, foram amorfas e com alta área superficial BET (200-300 m2.g-1). A síntese de sílicas mesoporosas foi testada empregando-se as cinzas isoladas de amostras tratadas em meio ácido utilizando três rotas sintéticas diferentes. Em uma delas foi possível obter um material de morfologia esférica, com área superficial BET de cerca de 500 m2.g-1 e diâmetro de poro médio (BJH) de 4 nm. A caracterização por espalhamento de raios X a baixo ângulo (SAXS) revelou um ordenamento hexagonal dos poros. Um material de mesma morfologia foi obtido empregando-se silicato de sódio comercial ao invés das cinzas. Os materiais obtidos possuem potencial para diversas aplicações, destacando-se o uso no empacotamento de colunas para cromatografia líquida, encapsulação de fármacos com liberação controlada, catálise e suporte para deposição de materiais. / This work proposes the use of ashes of two agro-industrial wastes - rice husk and sugar cane bagasse - as a source of silica (SiO2) for the synthesis of highly ordered mesoporous silicas. This application, besides adding value to waste, aims an alternative to ortossicato tetraethyl, an expensive source of silica, whose obtaining causes environmental damage. Samples of rice husks from four different sources were characterized by thermogravimetry / derivative thermogravimetry (TG / DTG), differential scanning calorimetry (DSC) and elemental CHN analysis. Based on these results, two samples were selected to obtain silica. Two other samples of sugar cane bagasse from different sources were also characterized by this methodology. To better understand the steps of thermal degradation of organic matter, the results of TG / DTG were associated with FT-IR and a kinetic study was performed by TG. Different treatments in an acid medium were carried out with the aim of removing impurities and reduce the time required for calcination of the materials. The method chosen for each material was defined from the tests and from evaluation of the results of TG / DTG. The ash obtained after the calcination of materials in muffle furnace, with and without prior acid treatment, were characterized by SEM / EDS, XRD and isotherms of adsorption/desorption of N2. The treated samples ashes showed higher purity than those not treated, and for those obtained from rice hulls were amorphous and with high BET surface area (200-300 m2.g-1). The synthesis of mesoporous silicas were tested employing the isolated ash samples treated in acid medium using three different synthetic routes. In one of them it was possible to obtain a spherical morphology material with BET surface area of 500 m2.g-1 and average pore diameter (BJH) of 4 nm. The characterization by small angle X-ray scattering (SAXS) showed a hexagonal ordering of the pores. A material with the same morphology was obtained employing commercial sodium silicate instead of the ash. The synthetized materials have potential for many applications, including packaging of liquid chromatography columns, encapsulation of drugs with controlled release, catalysis and support for deposition of materials.

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

O bagaço de cana-de-açúcar é um resíduo gerado no processo de produção de açúcar e álcool pelas usinas. O histórico de uso desse material aponta para a queima visando à produção de vapor e energia para o processo. As necessidades ambientais e econômicas ligadas tanto à emissão de gases estufa quanto as áreas agricultáveis apontam para um melhor aproveitamento desse resíduo que é constituído de cerca de 50% de celulose, 28% de hemiceluloses (também chamadas polioses), 21% de lignina e 1% de inorgânicos. Dentro desse contexto este trabalho visou à utilização da celulose do bagaço para a obtenção de açúcares fermentescíveis para a produção de etanol de 2ª geração. O bagaço foi desmedulado e a fração fibra foi pré-hidrólisada visando eliminar as hemiceluloses. Em seguida a fração fibra pré-hidrolisada foi deslignificada através de polpação soda antraquinona (SAQ). A polpa celulósica da fração fibra do bagaço foi hidrolisada em ácido sulfúrico e ácido clorídrico através do método \"ELA\", extremely low acid. Esse método utiliza ácido mineral muito diluído, altas temperaturas e pressões. As temperaturas de hidrólise utilizadas compreenderam a faixa de 180 a 230°C e as concentrações de ácido sulfúrico e ácido clorídrico utilizadas foram 0,07%, 0,14% e 0,28% e 0,05%, 0,10% e 0,20%, respectivamente. A razão sólido-líquido empregada foi 1:20 (m/v) e os reatores utilizados foram de aço inox 316L. A perda de massa após os experimentos de hidrólise foi quantificada e a composição dos hidrolisados foi analisada por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Paralelamente um estudo de degradação de glicose em ácido sulfúrico e ácido clorídrico foi conduzido com o objetivo de minimizar a degradação de glicose e conseqüentemente aumentar o seu rendimento. Através desse estudo também foi possível comparar o efeito de cada ácido na cinética de degradação de glicose. A faixa de temperatura utilizada foi de 200 a 220°C e a faixa de concentração de ácido sulfúrico e ácido clorídrico foi a mesma empregada nos estudos de hidrólise ácida. As constantes de velocidade de ordem um obtidas através de regressões lineares dos dados de perda de massa foram utilizadas para calcular a energia de ativação de Arrhenius. As energias de ativação médias obtidas para a reação com H2SO4 e HCl foram 184.9 e 183.5 kJ/mol, respectivamente. O rendimento máximo de glicose para a hidrólise da polpa celulósica em H2SO4 foi 69,8% e em HCl foi 70,2%. As constantes de velocidade de ordem um obtidas através de regressões lineares dos dados de glicose residual para a degradação de glicose também foram utilizadas para calcular a energia de ativação de Arrhenius. As energias de ativação médias para a decomposição de glicose em H2SO4 e HCl foram 124.5 e 142.9 kJ/mol, respectivamente. Através dos estudos realizados foi possível concluir que HCl foi um catalisador mais efetivo que o H2SO4 com base no valor das constantes de velocidade determinadas e nos rendimentos máximos de glicose obtidos. Porém, o HCl é menos vantajoso economicamente que o H2SO4 e os íons cloreto são responsáveis por tornar esse ácido mais corrosivo que o H2SO4. / Sugarcane bagasse is a residue from sugar and alcohol production process. In the industry of sugar and alcohol this residue is burned to produce steam and energy for the process. The environmental and economic needs related to both emission of greenhouse gases and the increase of sugarcane planted area point to be a better utilization of the bagasse. The approximate composition of sugarcane bagasse is 50% cellulose, 28% hemicelluloses, 21% lignin and 1% inorganic compounds. From this view point, this work aimed to use cellulose from sugarcane bagasse to obtain fermentable sugars to produce second generation ethanol. Depithed bagasse was pre-hydrolyzed to remove hemicelluloses. Afterwards, pre-hydrolyzed depithed bagasse was pulped using soda-anthraquinone (SAQ) method to remove lignin. Cellulosic pulp was hydrolyzed employing the ELA conditions. Sulphuric acid and hydrochloric acid were chosen as hydrolysis catalysts. The ELA uses mineral acid in extremely low concentration, high temperatures and pressures. The temperature range chosen for kinetic study was from 180 to 230°C. The H2SO4 concentration was 0.07%, 0.14%, and 0.28% and HCl concentration was 0.05%, 0.10%, and 0.20%. In hydrolysis experiments the solid-liquid ratio employed was 1:20. Reactors resistant to acid corrosion made by 316L-stainless steel were used in the experiments. The weight loss after the hydrolysis experiments was determined and the hydrolysate composition was analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC). A study of glucose decomposition in both acid catalysts was also carried out. The aim of this study was to minimize glucose degradation and acquire data to compare the effect of catalyst type on glucose degradation. The temperature range employed was from 200 to 220°C and the catalysts concentration was the same described above. First-order rate constants for hydrolysis of cellulosic pulp were obtained from linear regressions using data from weight loss. These rate constants were also used to calculate Arrhenius activation energy. The average activation energies for H2SO4 and HCl were 184.9 and 183.5 kJ/mol, respectively. The maximum glucose yields obtained in H2SO4 and HCl were 69.8% and 70.2%, respectively. First-order rate constants for glucose decomposition were also obtained from linear regressions and also used to calculate Arrhenius activation energy. The average activation energies for glucose decomposition in H2SO4 and HCl were 124.5 e 142.9 kJ/mol, respectively. From the results of kinetic studies was possible to conclude that HCl was a more efficient catalyst than H2SO4. Moreover, HCl is more expensive than H2SO4 and chloride ions are responsible for making HCl more corrosive than H2SO4.

O bagaço de cana-de-açúcar é um abundante coproduto obtido a partir da produção convencional de etanol. No entanto, o bagaço vem se mostrando como uma importante fonte para a produção de etanol de segunda geração. No primeiro capítulo da tese é apresentado um estudo referente à distribuição espacial dos compostos na matriz de bagaço de cana-de-açúcar. A investigação foi realizada utilizando microscopia de fluorescência confocal e espectroscopia por excitação com um e dois fótons. Imagens de autofluorescência em combinação com as medidas de fluorescência e tempos de vida forneceram uma gama de informações necessárias para a caracterização de amostras de bagaço. Além disso, a técnica permite o acompanhamento de processos relacionados com a remoção de lignina. A nanocelulose cristalina (NCC) é um material promissor devido as suas propriedades intrínsecas, tais como seu formato alongado, medindo de 1 a 100 nm de diâmetro e seu comprimento variando de algumas dezenas a centenas de nanômetros. No capítulo 2, a nanocelulose cristalina foi obtida através da hidrólise da celulose cristalina (de Avicel®) com ácido sulfúrico. Em seguida, o material foi caracterizado por técnicas de microscopia SEM e TEM, confirmando a morfologia em forma de haste e a estrutura de tamanho nanométrico. A microscopia de campo largo convencional foi utilizada como ferramenta na caracterização da NCC dispersa em soluções poliméricas de PVA e PVP. A última parte do capítulo 2 descreve a caracterização de estruturas de NCC usando a microscopia de super-resolução de fluorescência STED (depleção de emissão estimulada). As imagens mostraram uma resolução de até 50 nm, permitindo a comparação com resultados de TEM e AFM. No capítulo 3, a nanocelulose cristalina foi covalentemente marcada com o corante ATTO-532, através da chamada reação \"click\". As propriedades relacionadas com o coeficiente de difusão da NCC foram determinadas por espectroscopia de correlação de fluorescência (FCS). Em uma etapa posterior, a NCC foi colocada em diferentes soluções do polímero PEG, contendo quantidades diferentes. As propriedades dinâmicas foram analisadas por métodos de FCS e WFM. O uso de técnicas de espectroscopia e microscopia revelou detalhes relacionados à heterogeneidade das dispersões de NCC, as quais estão relacionadas com as propriedades hidrofílicas e hidrofóbicas das soluções poliméricas. / The sugarcane bagasse is an abundant co-product obtained from the conventional production of ethanol. However, sugarcane bagasse has been proving to be an important source to the production of second-generation ethanol. In the first chapter, the spatial distribution of compounds in the sugarcane bagasse matrix was investigated by confocal fluorescence microscopy and spectroscopy with one and two-photon excitation. Autofluorescence images in combination to spectral emission and lifetime measurements provided a tool for the characterization of natural bagasse samples. Moreover, the technique allows the following of processes related to the lignin removal. Nanocrystalline cellulose (NCC) is a promisor material because of its properties, such as rod-shape with 1-100 nm in diameter, and tens to hundreds of nanometres in length. In the Chapter 2, NCC was obtained via sulphuric acid hydrolysis from Avicel®. Afterwards, the material was characterized by classic electronic microscopy SEM and TEM, confirming the rod-shaped morphology and the nano-sized structure. Conventional wide field microscopy was used as fluorescence microscopy tool in the characterization of NCC, when dispersed in polymeric solutions of PVA and PVP. The last part of the chapter 2 describes the characterization of NCC structures by using the super-resolution fluorescence microscopy STED (Stimulated Emission Depletion). The STED images showed a resolution down to 50 nm, allowing the comparison with TEM and AFM microscopy results. In the Chapter 3, the NCC was covalently labelled, by a click-chemistry reaction, with the ATTO-532 dye. Properties related to diffusion coefficient of NCC were determined by Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) method. Afterwards, NCC was placed into a solution of PEG, containing different amounts polymer. The dynamic properties were evaluated by FCS and WFM methods. The use of spectroscopy and microscopy imaging techniques revealed heterogeneity details of NCC dispersions, which are related to the hydrophilic and hydrophobic properties of the polymer solution. A better understanding of polymer systems is achieved by investigation of diffusion properties, that allows the comprehension of rheological parameters, and, consequently, in polymer processing and assembly of plastics, films, and fibres. In the Chapter 4 is presented a study where fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and wide-field fluorescence microscopy (WFM) were used to follow changes in the diffusion coefficients of growing polymer chains, during the controlled radical polymerization process. Linear and star-shaped polystyrene were grown via nitroxide-mediated polymerization (NMP) from alkoxyamine-based initiators containing a highly fluorescent perylene diimide moiety. This study demonstrates that direct investigation of heterogeneity emerging during a controlled radical polymerization process by means of fluorescence of single-molecule chain initiator allows unravelling information related to the diffusion processes of the growing polymer chain.

São objetivos deste trabalho: (1) avaliar a produção de celulases pelo fungo termofílico Myceliophthora sp. M77, isolado no âmbito do programa BIOTA-FAPESP, cultivando-o em meios compostos por bagaço de cana-de-açúcar (B) e farelo de trigo (T) ou farelo de soja (S), portanto, cultivos em estado sólido; (2) avaliar a eficácia das enzimas na hidrólise de bagaço de cana-de-açúcar e celulose cristalina. Nos cultivos em frascos Erlenmeyer, o maior valor de concentração de celulases foi obtido em meio SB (10:90) (porcentagem em massa) com 80% de umidade inicial, 10,3 FPU.gms-1 após cinco dias de cultivo, valor este 120% superior ao valor de 4,8 U.gms-1, que foi a maior concentração de celulases registrada no cultivo em meio TB (20:80) com 60% de umidade inicial. O uso de aeração forçada no cultivo de Myceliophthora sp. M77 em meio SB (10:90) com 80% de umidade inicial, em reator de leito fixo, resultou aumento de 30% na concentração de celulase e na máxima produtividade em relação aos cultivos em frasco Erlenmeyer. Ensaios de hidrólise nas temperaturas de 50°C, 60°C e 70°C foram realizados para determinação da melhor temperatura de ação das celulases produzidas pelo fungo Myceliophthora sp. M77. Utilizou-se extrato obtido a partir do cultivo de Myceliophthora sp. M77 em meio SB (10:90) com umidade inicial de 60% a 45°C por 3 dias. Após 48h de hidrólise de bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado por explosão a vapor, a conversão de celulose a glicose foi de 15% para T=50°C, 8% para T=60°C e 1,5% para T=70°C. Os resultados indicam que pode ocorrer desnaturação térmica a 60°C e 70°C para períodos superiores a 6 h e 2 h de hidrólise, respectivamente. Ensaios de hidrólise de bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado por explosão a vapor, a 50°C, com adição de 10 FPU.gms-1 de celulases produzidas por Myceliopthora sp. M77 em meio SB (10:90) resultaram conversão de celulose a glicose 50% maior do que para o ensaio de hidrólise nas mesmas condições com enzimas produzidas em meio TB (40:60), indicando que a composição dos extratos enzimáticos produzidos em meio TB e SB são diferentes. A concentração inicial de glicose de 1 g.L-1 no extrato produzido em meio TB pode ter inibido a ação da enzima b-glicosidade. Já os extratos produzidos em meio SB apresentaram concentrações de glicose inicial inferiores a 0,15 g.L-1. Ensaios de hidrólise com enzimas aderidas ao meio de cultura sólido foram realizados com a finalidade de avaliar essa metodologia em comparação à hidrólise usual com enzimas extraídas do meio. Após 48 h, as conversões de celulose a glicose das hidrólises de celulose cristalina ou bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado por explosão à vapor com enzimas aderidas ao meio de cultura foram ou superiores ou iguais àquelas obtidas nas hidrólises com enzimas extraídas do meio de cultura. Esse resultado mostra que existe a possibilidade de aplicação direta da enzima não extraída do meio de cultura sólido, com consequente redução do custo do processo de hidrólise do material celulósico para liberação de açúcares fermentescíveis. / The objectives of this study are: (1) to evaluate the production of cellulases by a thermophilic fungus, Myceliophthora sp. M77, isolated by the BIOTA-FAPESP program. The microorganism was cultivated in media composed by sugarcane bagasse (B) and wheat bran (T) or soybean meal (S), thus, solid state cultivation; (2) to evaluate the effectiveness of these enzymes in the hydrolysis of sugarcane bagasse and crystalline cellulose. The highest cellulases concentration in Erlenmeyer flasks cultures was achieved in medium SB (10:90) (w/w) with initial moisture of 80%, 10.3 FPU.gdm-1 after five days of cultivation, a value 120% higher than 4.8 U.gdm-1, which was the highest recorded cellulases concentration in culture using TB (20:80) with 60% of initial moisture. Applying forced aeration in the cultivation of Myceliophthora sp. M77 in medium SB (10:90) with 80% initial moisture, in fixed bed reactor, cellulases concentration and maximum productivity raised 30% relative to cultivation in Erlenmeyer flask. Hydrolysis assays at temperatures of 50°C, 60°C and 70°C were performed to evaluate the optimal temperature for application of cellulases produced by the fungus Myceliophthora sp. M77, since it is a thermophilic fungus. It was used the enzymatic extract produced from cultures in medium SB (10:90) with 60% initial moisture, at 50°C, for three days. After 48 h of hydrolysis of sugarcane bagasse pretreated by steam explosion, the conversion of cellulose to glucose was 15% for T = 50 ° C, 8% for T = 60 ° C and 1.5% T = 70 ° C. These results indicated that thermal denaturation may occur in hydrolysis at 60°C and 70°C for periods longer of 6 h and 2 h, respectively. Hydrolysis of sugarcane bagasse pretreated by steam explosion at 50°C with addition of 10 FPU.gdm-1 of cellulases produced by Myceliopthora sp. M77 in medium TB (40:60), resulted in conversion of cellulose to glucose 50% lower than hydrolysis with enzymes produced in medium SB (10:90), under the same conditions, indicating that the composition of enzyme extracts produced in TB and SB medium are different. The initial glucose concentration of 1 g.L-1 in the enzyme extract produced in TB medium can inhibit the action of the enzyme b-glucosidade. On the other hand, initial glucose concentration in the extract produced in medium SB was lower than 0.15 g.L-1. Hydrolysis using enzymes adhered to the solid culture medium were performed in order to compare this method to the usual hydrolysis with enzymes extracted from the medium. After 48 h, the cellulose conversion to glucose in the hydrolysis of sugarcane bagasse pretreated by steam explosion or crystalline cellulose were either greater than or equal to those obtained by hydrolysis with enzymes extracted from the culture medium. This result shows that there is the possibility of direct application of the enzyme still adhered to the solid culture medium, with consequent reduction of the process cost of cellulosic materials hydrolysis to release fermentable sugars.

A geração de energia elétrica a partir de bagaço de cana-de-açúcar representa 6,97% da capacidade total instalada no Brasil, equivalendo a terceira maior fonte de geração de energia brasileira, atrás da geração hídrica (61,17%) e gás natural (8,50%), segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2016b). O bagaço de cana-de-açúcar tem se tornado um grande ativo das usinas sucroalcooleiras por sua capacidade de transformação energética através da queima em caldeiras, produzindo vapor para o processo produtivo e alimentando processos térmicos para geração de energia elétrica. Assim, cada vez mais buscam-se alternativas de eficiência produtiva, de maneira a economizar bagaço visando prolongar o período de geração na entressafra, quando não há produção de cana-de-açúcar. O objetivo da presente pesquisa é avaliar e redução de consumo de bagaço a partir da inserção de sistemas heliotérmicos (CSP em inglês Concentration Solar Power) de torre em usinas sucroalcooleiras. Para tanto simulou-se no software SAM® um sistema de geração de energia solar heliotérmica de torre, tomando como base dados de geração de energia em um ano típico de uma usina sucroalcooleira do interior do estado de São Paulo, paralelamente com os dados de radiação solar da mesma região onde a usina está instalada. Através da simulação da integração das tecnologias e geração de energia advinda do sistema solar projetado, analisou-se o potencial de redução do consumo de bagaço de cana durante o período estudado. / The generation of electric from sugarcane bagasse represents 6.97% of the total capacity installed in Brazil, accounting for the third largest source of Brazilian energy generation, behind hidraulic generation (61.17%) and gas (8.50%), according to the National Electric Energy Agency (ANEEL, 2016). Sugarcane bagasse has become a major asset of sugarcane mills due to its capacity for energy transformation through burning in boilers, producing steam for the production process and fueling thermal processes for the generation of electric energy. Thus, more and more alternatives are sought for productive efficiency, in order to save bagasse to prolong the generation period in the off season, when there is no sugar cane production. The goal of the present research is to evaluate and reduce bagasse consumption from the insertion of tower solarization (CSP) in sugarcane plants. In order to do so, a solar heliothermic solar tower generation system was simulated in the SAM software, based on data from the generation of energy in a typical year of a sugar-alcohol plant in the interior of the state of São Paulo, in parallel with the radiation data in the same region where the plant is installed. Through the simulation of the integration of the technologies and generation of energy coming from the projected solar system, was calculated the potential of reducing the consumption of sugarcane bagasse during the studied period was analyzed.

O presente trabalho teve como objetivo avaliar a fermentabilidade do hidrolisado enzimático do bagaço de cana pré-tratado com sulfito alcalino, visando a produção de etanol por leveduras. Inicialmente, o bagaço de cana foi pré-tratado com sulfito alcalino para remover parcialmente a lignina e alterar a estrutura da celulose e hemicelulose. Os efeitos deste pré-tratamento foram avaliados em termos da composição química dos materiais obtidos: um material lavado (BPL) e outro não lavado (BPNL) após tratamento. A digestibilidade enzimática dos materiais obtidos foi testada empregando dois extratos enzimáticos comercias e 3 cargas de enzimas, de acordo com um planejamento experimental 22. A partir destes resultados foi selecionado o extrato Cellubrix suplementado com ?-glicosidase na carga de 18 FPU/g de biomassa, e nesta condição os rendimentos de conversão de celulose e xilana foram cerca de 70% e 65%, respectivamente. Os hidrolisados enzimáticos do BPL e BPNL porém suplementados com nutrientes (2,0 g/L de (NH4)2SO4, 1,0 g/L de KH2PO4, 0,3 g/L de MgSO4.7H2O, 5,0 g/L de extrato de levedura), e avaliados quanto a produção de etanol por K. marxianus Y-6860 a 40°C. Os resultados mostraram que a levedura produziu etanol apenas a partir de glicose, e os parâmetros fermentativos obtidos com o hidrolisado BPNL QP = 3,7 g/L.h e YP/S = 0,40 g/g foram 20 e 5%, respectivamente superior ao BPL. O hidrolisado enzimático do BPNL foi então selecionado, para avaliar o efeito da suplementação nutricional nos parâmetros fermentativos da levedura K. marxianus Y-6860, em três temperaturas diferentes (30, 35 e 40°C) de acordo com um planejamento experimental 22. Para efeito de comparação, foi também avaliada a fermentabilidade do hidrolisado BPNL pelas leveduras S. cerevisiae PE-2 e S. stipitis Y-7124. Os resultados mostraram que para as três leveduras estudadas, os valores dos parâmetros fermentativos, foram favorecidos a 30 °C na presença nutrientes. Nesta condição, as leveduras apresentaram valores de YP/S similares (~ 0,48 g/g), em quanto que o QP foi de 3,25; 2,17 e 0,95 g/L.h para K. marxianus, S. cerevisiae e S. stipitis, respectivamente. Ressalta-se ainda que nesta condição, a S. stipitis Y-7124 foi a única levedura, capaz de consumir completamente ambos os açúcares (glicose + xilose) e produzir uma concentração de etanol 46% maior comparado as outras leveduras. Foi avaliado também a fermentabilidade das três leveduras no hidrolisado enzimático BPNL com alta concentração de glicose (100 g/L), nas condições anteriormente selecionadas. Os resultados mostraram que, as três leveduras apresentaram potencial para produção de etanol a partir da glicose, com uma eficiência de conversão de etanol superior a 70%, no entanto deveriam se implementar estratégias para estimular o consumo de xilose. Com os resultados do presente trabalho se pode concluir que o hidrolisado enzimático do bagaço de cana pré-tratado com sulfito alcalino suplementado com nutrientes, é um meio com grande potencial para a produção de etanol com características favoráveis para ser eficientemente fermentado por diferentes espécies de leveduras. / The present work had the objective to evaluate the fermentability of the enzymatic hydrolyzate of sugar cane bagasse pre-treated with alkali sulfite process, aiming the ethanol production by yeasts. Initially, sugarcane bagasse was pretreated with alkaline sulfite process to remove lignin partially. The effects of this pre-treatment, were evaluated in the chemical composition of the materials: one material washed after treatment (WB) and another unwashed material (UWB). The enzymatic digestibility of the obtained materials was tested using two commercial enzymatic extracts and three enzyme loads according to an experimental design 22. From these results, the Cellubrix extract supplemented with ?-glucosidase, was selected in the load of 18 FPU/g of biomass, in this condition the cellulose and xylan conversion yields were about 70% and 65%, respectively. The enzymatic hydrolysates of WB and UWB supplemented with nutrients (2,0 g/L (NH4)2 SO4, 1,0 g/L KH2 PO4, 0,3 g/L MgSO4 .7H2O, 5,0 g/L yeast extract), were evaluated for ethanol production by K. marxianus Y-6860 at 40°C. The results showed that the yeast produced ethanol only from glucose, and the fermentative parameters obtained with the UWB hydrolyzate QP= 3,7 g/L.h and YP/S= 0,40 g/g, were 20 and 5% respectively higher to WB. The UWB hydrolyzate, was selected to evaluate the effect of nutritional supplementation, in the fermentative parameters of K. marxianus, at three different temperatures (30, 35 and 40°C) according to an experimental design 22. For comparison, were also evaluated fermentability of S. cerevisiae PE-2 and S. stipitis Y-7124 in the hydrolyzate. In the three yeasts, the results showed that the values of the fermentative parameters, are favored when the hydrolyzate is supplemented with nutrients to 30°C. In this condition , yeasts showed similar YP/S value (~0,48 g/g), whereas the QP was of 3,25; 2,17 and 0,95 g/L.h for K. marxianus, S. cerevisiae and S. stipitis, respectively. It is also worth noting that in this condition S. stipitis was the only yeast able to completely consume both sugars (glucose+xylose) and produce a concentration of ethanol of 46% higher than other yeasts. In the previously selected condition, the fermentability of the hydrolyzate with high glucose concentration (100 g/L) was also evaluated. The results showed that the three yeasts presented potential for the production of ethanol from glucose, with an ethanol efficiency of over 70%, however strategies should be implemented to stimulate the consumption of xylose. With the results of the present work it can be concluded that the enzymatic hydrolyzate of sugar cane bagasse pretreated with alkaline sulfite process supplemented with nutrients is a medium with great potential for the production of ethanol with characteristics favorable to be efficiently fermented by different species of yeasts.

Orientador: Keizo Yukimitu / Resumo: Este trabalho visa o estudo da eficiência do uso da cinza de bagaço de cana-de-açúcar (CBC) como defloculante para materiais cerâmicos do tipo porcelanato, disponibilizada pela indústria Villagres, em comparação ao aditivo defloculante atualmente utilizado mesma, o silicato de sódio. O estudo do reaproveitamento deste material residual de origem orgânica na indústria cerâmica tem motivações que envolvem causas de disponibilidade, sustentabilidade, inovação e rentabilidade, motivações essas que, para este estudo em específico, foram fomentadas por resultados bastante promissores obtidos através de um estudo prévio envolvendo algumas destas mesmas variáveis citadas, em termos de redução do tempo de escoamento, e consequentemente, viscosidade. Materiais argilosos (argilominerais) fazem parte de grande parte da composição de massas cerâmicas. Durante o seu processo de moagem via úmida, observa-se nas argilas uma interação superficial de atração pelas forças de Van der Waals. Para que esta interação diminua e consequentemente a viscosidade da barbotina, utiliza-se aditivos defloculantes à base de sódio. O silicato de sódio é capaz de promover a troca catiônica dos cátions bivalentes. Conforme o decorrer do projeto, foram testadas diferentes formulações e metodologias nas instalações da indústria de porcelanato Villagres, com adições de silicato de sódio e/ou CBC aos materiais cerâmicos, e assim medir das viscosidades das misturas com o equipamento Copo de Ford para que fosse anali... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre