Submitted by Milena Rubi (milenarubi@ufscar.br) on 2017-08-08T18:02:30Z No. of bitstreams: 1 CACURO_Thiago_2016.pdf: 32188052 bytes, checksum: 4ea1d6b1518db8bbf23e24ea2e2a94d7 (MD5) / Approved for entry into archive by Milena Rubi (milenarubi@ufscar.br) on 2017-08-08T18:03:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 CACURO_Thiago_2016.pdf: 32188052 bytes, checksum: 4ea1d6b1518db8bbf23e24ea2e2a94d7 (MD5) / Approved for entry into archive by Milena Rubi (milenarubi@ufscar.br) on 2017-08-08T18:03:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 CACURO_Thiago_2016.pdf: 32188052 bytes, checksum: 4ea1d6b1518db8bbf23e24ea2e2a94d7 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-08T18:03:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CACURO_Thiago_2016.pdf: 32188052 bytes, checksum: 4ea1d6b1518db8bbf23e24ea2e2a94d7 (MD5) Previous issue date: 2016-03-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / The ashes resulting from the burning of sugarcane bagasse is a heterogeneous material and has various applications as an adsorbent. To enhance and assist in prospecting new applications is critical to better understand the properties of the material. In this work, its morphological, spectroscopic and elemental characterization of the ashes of sugarcane bagasse from three different plants and two different harvests and the prospect of its use as an adsorbent. The particles of the ash were separated according to their density and in order to characterize, FTIR was used in the investigation of chemical groups present in the samples, additionally to the SEM and EDS elemental and morphological characterization of the particles present in the samples. Cenospheres, spherical particles present in ash, were identified as coreshell structure, where the core is a mixed metal oxide and the shell is a layer of silicon dioxide. The correlation between the ratio of the relative abundance between the carbonyl and hydroxyl groups and the mass distribution of the granulometric extracts were used as indirect measure of the level of oxidation of the samples. The ashes’ adsorption capacity showed affinity for the methylene blue dye with an adsorption capacity of 39 mg of dye per gram of ash used, in contrast to the low adsorption of potassium chromate solution, 1.2 mg per gram of ash. / As cinzas oriundas do processo de queima do bagaço de cana-de-açúcar são um material heterogêneo e com diversas aplicações, como a adsorção. Para potencializar e auxiliar na prospecção de novas aplicações é fundamental conhecer melhor as propriedades do material. Neste trabalho foi feita esta caracterização morfológica, espectroscópica e elementar das cinzas do bagaço da cana-de-açúcar provenientes de três diferentes usinas e duas diferentes safras e a prospecção de seu uso como adsorvente. As partículas das cinzas foram separadas de acordo com sua densidade e para a caracterização foi utilizada a técnica de FTIR na investigação dos grupos químicos presentes nas amostras e MEV juntamente com o EDS para a caracterização morfológica e elementar. As cenosferas, partículas esféricas presentes nas cinzas, foram identificadas como estruturas coreshell onde o core é composto por um misto de óxidos metálicos e o shell composto por dióxido de silício. A correlação entre a razão da abundância relativa entre os grupos de carbonila e hidroxila e a distribuição mássica dos extratos granulométricos, foi usada como medida indireta do nível de oxidação das diferentes amostras. Quanto à sua capacidade de adsorção, as cinzas mostraram afinidade na adsorção do corante azul de metileno com uma capacidade de adsorção de 39mg de corante por grama de cinza usada em contraste com a baixa adsorção apresentada para a solução de cromato de potássio com 1,2 mg por grama de cinza.

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

Submitted by Marcio Aurelio Soares Santos (marrrcio@hotmail.com) on 2016-01-06T13:02:26Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_MPAgro_Santos_MAS_Versão_Revisada_3.pdf: 1187642 bytes, checksum: 6d36e9cf2b45e719ee9c7f357535a97e (MD5) / Approved for entry into archive by Fabiana da Silva Segura (fabiana.segura@fgv.br) on 2016-01-06T14:58:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação_MPAgro_Santos_MAS_Versão_Revisada_3.pdf: 1187642 bytes, checksum: 6d36e9cf2b45e719ee9c7f357535a97e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-06T15:04:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação_MPAgro_Santos_MAS_Versão_Revisada_3.pdf: 1187642 bytes, checksum: 6d36e9cf2b45e719ee9c7f357535a97e (MD5) Previous issue date: 2015-11-30 / O uso de resíduos da indústria canavieira, em particular o bagaço, é tema que ganha relevância desde a retomada do mercado de biocombustíveis, quando a produção ampliou significativamente o volume daquela biomassa. Existem trabalhos que tratam de apresentar subprodutos e tecnologias alternativas para o uso deste material e um conjunto outro de trabalhos apresenta análise de cenários de viabilidade econômica destas tecnologias. O objetivo deste trabalho é avaliar pela perspectiva econômico-financeira o melhor uso do bagaço da cana em um caso real. Para isto foi utilizada a Teoria das Opções Reais, como forma de analisar a melhor destinação do bagaço no horizonte de tempo de cinco anos, em uma dada a região, em um estudo de caso de uma usina sucroenergética com possibilidade de produção de etanol de segunda geração e/ou venda do bagaço in natura. Desta forma concluiu-se no caso apresentado que a produção de etanol de segunda geração em escala industrial não atrai investimentos e, sob esta ótica, deve ser postergada pois requer significativa aumento de produtividade por tonelada de matéria seca, além de substancial redução no custo das enzimas de fermentação. Ainda, foi possível também identificar a necessidade de políticas de incentivo para atração de investimentos. / The use of waste from the sugar cane industry, in particular bagasse, is a subject that becomes relevant since the resumption of the biofuels. There are works that address alternative technologies to the use of this material and a collection of other works which address the feasibilities. Therefore, this study is to evaluate the economic and financial perspective of sugarcane bagasse in an actual case. An application of the Theory of Real Options as a way to analyze the best allocation of bagasse within five years horizon, in a given region where the plant is located. The productivity and competitiveness of second-generation ethanol in contrast with the possibility of selling the bagasse. Thus it was concluded in the case presented that second-generation ethanol on an industrial scale production should be postponed since requires significant increase in productivity (litter per ton of dry bagasse) and significant reduction in the fermentation enzymes costs. Still, it was also possible to identify the need of public policy’s to develop this industry.

Submitted by Ana Laura Soler Cunha Buzo (analaurasolercunha@gmail.com) on 2018-09-28T22:21:33Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO FINAL .pdf: 3047917 bytes, checksum: 4b9d9190322307f4e23c7de4f21936e9 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-10-01T13:05:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 buzo_alsc_me_ilha.pdf: 3047917 bytes, checksum: 4b9d9190322307f4e23c7de4f21936e9 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-01T13:05:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 buzo_alsc_me_ilha.pdf: 3047917 bytes, checksum: 4b9d9190322307f4e23c7de4f21936e9 (MD5) Previous issue date: 2018-07-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O desenvolvimento de estudos para produção de derivados de madeira tem representado uma real alternativa para contribuir as políticas de sustentabilidade, principalmente de espécies arbóreas nativas. Nesse contexto, o reaproveitamento de resíduos lignocelulósicos tem contribuído como uma alternativa para a produção industrial de painéis de madeira. Dentro desse contexto este trabalho se constitui do estudo para produção e avaliação de painéis aglomerados, empregando-se partículas de bagaço de cana-de-açúcar (Saccharum officinarum) e partículas de madeira de pinus (Pinus taeda; Pinus elliottii) e utilizando-se dois tipos de aglutinantes, o Poliuretano derivado do óleo de mamona (PU-M) e a Resina Ureia-formaldeído (UF). Para produção dos painéis foram propostos diferentes tratamentos com variações entre as proporções de massas das partículas, densidade nominal dos painéis de 0,80 g/cm3 e pressão de prensagem de 50 kgf/cm2 durante 10 min. As misturas de partículas foram utilizadas com 10% de umidade para o adesivo PU-M e 3% de umidade para a resina UF ambos com um conteúdo de 10% em relação à massa seca das partículas. Para prensagem dos painéis com PU-M empregou-se 100 ºC e para os painéis com UF 130 ºC. Os painéis foram submetidos a ensaios para avaliação das propriedades físicas (densidade, umidade e inchamento) e mecânicas (módulo de elasticidade, módulo de ruptura à flexão e tração perpendicular) de acordo com a ABNT NBR 14810-1 e 2 (2013). Os resultados obtidos evidenciaram ser possível a utilização das partículas provenientes do bagaço de cana e de pinus para a produção de painéis aglomerados de alta densidade. Verificou-se que os painéis produzidos com o poliuretano apresentaram maior eficiência e suas propriedades físicas e mecânicas encontram-se compatíveis com os requisitos da Norma Brasileira para painéis do tipo P6 - Painéis estruturais para uso em condições severas de carga, em condições secas. Entretanto, verificou-se que os painéis produzidos com UF podem ser classificados como painéis do Tipo P2 - Painéis não estruturais para uso em condições secas. / The development of studies for the production of wood derivatives has represented a real alternative to improve sustainability policies, mainly of native tree species. In this context, the reuse of lignocellulosic waste has contributed as an alternative to the industrial production of wood panels. This way, this work aims to produce and evaluate chipboards using particles of sugarcane bagasse (Saccharum officinarum) and particles of pine wood (Pinus taeda; Pinus elliottii) and using two types of binders, the Polyurethane derived from castor oil (PU-Castor) and Urea formaldehyde resin (UF). Different treatments were proposed for the production of boards with variations between the particle mass ratios, panels’ nominal density of 0.80 g/cm3 and pressing pressure of 50 kgf/cm2 for 10 minutes. Particle mixtures were used at 10% moisture for the PU-Castor adhesive and 3% moisture for the UF resin both with a content of 10% relative to the dry mass of the particles. For the pressing of panels with PU-Castor was used 100 °C and of panels with UF was used 130 °C. The boards were submitted to tests to evaluate the physical properties (density, moisture and swelling after 24 hours) and mechanical (modulus of elasticity, modulus of resistance to bending and perpendicular traction) according to the ABNT NBR 14810-1 and 2 (2013). The results showed that it is possible to use particles from sugarcane bagasse and pine wood for high density chipboards production. It was found that the boards produced with polyurethane presented higher efficiency and their physical and mechanical properties are compatible with the requirements of Brazilian Standard Regulations for P6 boards (Structural boards for use under severe load conditions for dry conditions use). However, it has been found that panels made with UF can be classified as type P2 panels – Non-structural boards for dry conditions use. / CAPES - DS

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

Submitted by Luciana Sebin (lusebin@ufscar.br) on 2016-09-21T13:52:44Z No. of bitstreams: 1 DissVBF.pdf: 4418595 bytes, checksum: aaae3efb173c8760a1039251a31ea973 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:23:48Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissVBF.pdf: 4418595 bytes, checksum: aaae3efb173c8760a1039251a31ea973 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:24:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissVBF.pdf: 4418595 bytes, checksum: aaae3efb173c8760a1039251a31ea973 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-23T18:24:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissVBF.pdf: 4418595 bytes, checksum: aaae3efb173c8760a1039251a31ea973 (MD5) Previous issue date: 2015-03-20 / Não recebi financiamento / The continuous demand growth for liquid fuels, alongside with the decrease of fossil oil reserves, unavoidable in the long term, induces investigations for new energy sources. A possible alternative is the use of bioethanol, produced by renewable resources such as sugarcane bagasse. Two thirds of the cultivated sugarcane biomass are sugarcane bagasse and leaves, not fermentable when the current, first-generation (1G) process is used. A great interest has been given to techniques capable of utilizing the carbohydrates from this material. Among them, production of second generation (2G) ethanol is a possible alternative. 2G ethanol requires two additional operations: a pretreatment and a hydrolysis stage. Regarding the hydrolysis, the dominant technical solution has been based on the use of enzymatic complexes to hydrolyze the lignocellulosic substrate. To ensure the feasibility of the process, a high final concentration of glucose after the enzymatic hydrolysis is desirable. To achieve this objective, a high solid consistency in the reactor is necessary. However, a high load of solids generates a series of operational difficulties within the reactor. This is a crucial bottleneck of the 2G process. A possible solution is using a fed-batch process, with feeding profiles of enzymes and substrate that enhance in the process yield and productivity. The main objective of this work was to implement and test a system to infer online concentrations of fermentable carbohydrates in the reactive system, and to optimize the feeding strategy of substrate and/or enzymatic complex, according to a model-based control strategy. Batch and fed-batch experiments were conducted in order to test the adherence of four simplified kinetic models. The model with best adherence to the experimental data (a modified Michaelis-Mentem model with inhibition by the product) was used to train an Artificial Neural Network (ANN) as a softsensor to predict glucose concentrations. Further, this ANN may be used in a closedloop control strategy. A feeding profile optimizer was implemented, based on the optimal control approach. The ANN was capable of inferring the product concentration from the available data with good adherence (Determination Coefficient of 0.972). The optimization algorithm generated profiles that increased a process performance index while maintaining operational levels within the reactor, reaching glucose concentrations close to those utilized in current first generation technology a (ranging between 156.0 g.L⁻¹ and 168.3 g.L⁻¹). However rough estimates for scaling up the reactor to industrial dimensions indicate that this conventional reactor design must be replaced by a two-stage reactor, to minimize the volume of liquid to be stirred. / A crescente demanda por combustíveis líquidos, bem como a diminuição das reservas de petróleo, inevitáveis a longo prazo, induzem pesquisas por novas fontes de energia. Uma possível solução é o uso do bioetanol, produzido de resíduos, como o bagaço de cana-deaçúcar. Dois terços da biomassa cultivada são bagaço e folhas. Estas frações não são fermentescíveis quando se usa a tecnologia de primeira geração atual (1G). Um grande interesse vem sendo prestado a técnicas capazes de utilizar os carboidratos deste material. Dentre elas, a produção de etanol de segunda geração (2G) é uma possível alternativa. Etanol 2G requer duas operações adicionais: etapas de pré-tratamento e hidrólise. Considerando a hidrólise, a técnica dominante tem sido a utilização de complexos enzimáticos para hidrolisar o substrato lignocelulósico. Para assegurar a viabilidade do processo, uma alta concentração final de glicose é necessária ao final do processo. Para atingir esse objetivo, uma alta concentração de sólidos no reator é necessária. No entanto, uma carga grande de sólidos gera uma série de dificuldades operacionais para o processo. Este é um gargalo crucial do processo 2G. Uma possível solução é utilizar um processo de batelada alimentada, com perfis de alimentação de enzima e substrato para aumentar produtividade e rendimento. O principal objetivo deste trabalho é implementar e testar um sistema para inferir concentração de carboidratos fermentescíveis automaticamente e otimizar a política de substrato e/ou enzima em tempo real, de acordo com uma estratégia de controle baseada em modelo cinético. Experimentos de batelada e batelada alimentada foram realizados a fim de testar a aderência de 4 modelos cinéticos simplificados. O modelo com melhor aderência aos dados experimentais (um modelo de Michaelis-Mentem modificado com inibição por produto) foi utilizado para gerar dados a fim de treinar uma rede neural artificial para predizer concentrações de glicose automaticamente. Em estudos futuros, esta rede pode ser utilizada para compor o fechamento da malha de controle. Um otimizador de perfil de alimentação foi implementado, este foi baseado em uma abordagem de controle ótimo. A rede neural foi capaz de predizer a concentração de produto com os dados disponíveis de maneira satisfatória (Coeficiente de Determinação de 0.972). O algoritmo de otimização gerou perfis que aumentaram a performance do processo enquanto manteve as condições da hidrólise dentro de níveis operacionais, e gerou concentrações de glicose próximas as obtidas pelo caldo de cana-de-açúcar da primeira geração (valores entre 156.0 g.L ¹ e 168.3 g.L ¹). No entanto, estimativas iniciais de ⁻ ⁻ aumento de escala do processo demonstraram que para atingir dimensões industriais o projeto do reator utilizado deve ser analisado, substituindo o mesmo por um processo em dois estágios para diminuir o volume do reator e energia para agitação.

Submitted by Regina Correa (rehecorrea@gmail.com) on 2016-09-21T13:34:29Z No. of bitstreams: 1 DissLM.pdf: 2911132 bytes, checksum: 362b734e96e18d3619903ec85dba4bb5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:32:59Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissLM.pdf: 2911132 bytes, checksum: 362b734e96e18d3619903ec85dba4bb5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:33:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissLM.pdf: 2911132 bytes, checksum: 362b734e96e18d3619903ec85dba4bb5 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-23T18:33:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissLM.pdf: 2911132 bytes, checksum: 362b734e96e18d3619903ec85dba4bb5 (MD5) Previous issue date: 2016-03-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / The use of a simplified consolidated bioprocess for the conversion of biomass using enzymes produced in-house (integrated into the process of converting lignocellulosic biomass) may enable significant increases in the production of bioethanol, without the need for expansion of cultivated area. With this motivation, the present work had as objective the study of the steps of production of (hemi)cellulases by solid-state fermentation (SSF) and the use of whole fermentation medium (WFM) for saccharification of biomass and subsequent alcoholic fermentation within the context of a consolidated bioprocess for the 2G ethanol production. To this end, firstly, the selection of the cultivation conditions for the production of enzymes directly using the sugarcane bagasse pretreated by steam explosion (SEB) as SSF substrate was studied. Thus, different fungi were cultivated in isolation and in co-cultivation, including the study of the use of wheat bran and lactose as inducers in the production of enzymes. In order to optimize the enzymatic hydrolysis (EH) step with the WFM from SSF, it was evaluated the influence of the operating parameters and the use of soy protein, Tween 80, PEG 1500 and bovine serum albumin (BSA) as additives. Finally, the alcoholic fermentation step was performed for the selected condition for the overall validation of this bioprocess. The results obtained in the conditions which maximize the production of enzymes, using SEB as substrate, were: addition of lactose at 0.075 g/g of substrate and wheat bran in the mass ratio 1:1 relative to the substrate, which led to an increase of activity of 73% for beta-glucosidase, 67% for endoglucanase, and 72% for xylanase, compared to the control condition using SEB as the substrate, without the presence of lactose or wheat bran. Cultivations under SSF followed by the EH step with the WFM showed that the co-cultivation were, in most cases, better in the conversion of SEB into fermentable sugars. The co-cultivation that presented the best result when compared to the best-isolated cultivation of Aspergillus niger was the Trichoderma reesei with Aspergillus oryzae, which has promoted an increase of 47% in the glucose production. The evaluation of operating parameters (pH, temperature and stirring) during the enzymatic hydrolysis step with the WFM from SSF showed that the saccharification process performed under the condition of pH 4.8, 200 RPM and 50 °C presented the best conversion of lignocellulosic biomass. This operational condition is the same already used in the conventional process of enzymatic hydrolysis with commercial extract enzymes. The addition of additives (soy protein and Tween 80) improved the saccharification process, whereas the addition of soy protein (0.5% w/v) lead to a 50% increase in glucose release. The alcoholic fermentation carried out for validating the overall integration process at the best condition of cultivation /hydrolysis gave a yield of 83.5% of the theoretical yield and volumetric productivity of ethanol (QP) 4.77 g/L.h. These results show that all process steps can be performed sequentially in the same reactor, thus denoting the proposed consolidated bioprocess. / A utilização de um bioprocesso consolidado simplificado para a conversão de biomassa usando enzimas produzidas in-house (integrada ao processo de conversão da biomassa lignocelulósica) pode possibilitar incrementos significativos na produção de bioetanol, sem a necessidade de expansão da área cultivada. Com esta motivação, o presente trabalho teve como objetivo o estudo das etapas de produção de (hemi)celulases por fermentação em estado sólido (FES) e a utilização do meio fermentado integral (MFI) para sacarificação da biomassa e posterior fermentação alcoólica, dentro do contexto de um bioprocesso consolidado para a produção de etanol 2G. Para este fim, primeiramente, foi estudada a seleção das condições de cultivo para a produção de enzimas usando diretamente o bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado por explosão a vapor (BEX) como substrato da FES. Assim, diferentes fungos foram cultivados de forma isolada e em cocultivo, incluindo o estudo de farelo de trigo e lactose como indutores na produção de enzimas. Para otimizar a etapa de hidrólise enzimática (HE) com o MFI da FES, avaliou-se a influência dos parâmetros operacionais e o uso de proteína de soja, Tween 80, PEG 1500 e albumina de soro bovino (BSA) como aditivos. Por fim, para a melhor condição foi realizada a etapa de fermentação alcoólica para a validação global deste bioprocesso. Os resultados obtidos para as condições que maximizam a produção de enzimas, utilizando o BEX como substrato, foram: inserção de lactose na concentração de 0,075 g/g de substrato e farelo de trigo na proporção 1:1 em massa em relação ao substrato, o que levou a um aumento de atividade de 73% para betaglicosidase, 67% para endoglucanase e 72% para xilanase, em relação à condição controle utilizando apenas BEX como substrato, sem a presença de lactose ou farelo. Os cultivos em FES seguidos pela etapa de HE com o MFI mostrou que os cocultivos foram, na maioria dos casos, melhores na conversão do BEX a açúcares fermentescíveis. O cocultivo que apresentou o melhor resultado quando comparado ao melhor cultivo isolado de Aspergillus niger foi o de Trichoderma reesei com Aspergillus oryzae, o qual promoveu um aumento de 47% na produção de glicose. A avaliação dos parâmetros operacionais (pH, temperatura e agitação) durante a etapa de hidrólise enzimática com o MFI da FES mostrou que o processo de sacarificação realizado sob a condição de pH 4,8, 200 rpm e 50 ºC apresentou a melhor conversão da biomassa lignocelulósica. Essa condição operacional é a mesma já empregada no processo convencional de HE com extrato comercial de enzimas. A utilização de aditivos (proteína de soja e Tween 80) melhorou o processo de sacarificação, sendo que a adição da proteína de soja (0,5%, m/v) promoveu um aumento de 50% na liberação de glicose. Assim, realizou-se a fermentação alcoólica para a validação do processo global de integração para a melhor condição do conjunto cultivo/hidrólise, obtendo-se um rendimento de etanol de 83,5% do rendimento teórico e uma produtividade volumétrica de etanol (QP) de 4,77 g/L.h. Esses resultados permitiram a validação do bioprocesso consolidado proposto, indicando que todas as etapas podem ser realizadas sequencialmente no mesmo reator.

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No. of bitstreams: 1 CARMO_Karina_2016.pdf: 17584028 bytes, checksum: 692d8364ace6af7a9c25e92d72c514ec (MD5) Previous issue date: 2016-04-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A few years ago, several studies have been conducted to transformatio n of raw matter into renewable biodegradable materials, since it is necessary to rethink consumption and rationalize the use of packaging derived from synthetic polymers. Among these raw materials can be detached corn starch produced worldwide, with low cost and high potential for biodegradability. In this paper, aiming a possible application in biodegradable packaging, starch polymeric films were developed using native corn starch with the incorporation of 1 to 4% of fibers sugarcane bagasse from industrial wastes, 2.5, 5 and 10% of castor oil, and 2.5, 5% epoxidized soy bean oil, and modified corn starch films with the incorporation of 1 to 3% fibers sugarcane bagasse, and 2.5, 5 % of epoxidized soybean oil. Some mechanical and thermal analysis for characterization of the films were made. The mechanical p roperties were analyzed by tensile test in Dynamic-Mechanical Thermal Analysis (DMTA) equipment. Among the films tested in tension, they stood the native corn starch films that have the best tensile strength results (1.05 MPa) and elongation at break (77.66%), followed by the native starch containing film 3% fiber (0.81 MPa) and native starch films containing 2.5% epoxidized soybean oil (58.55%). The fractured samples were analyzed by Scanning Electron Microscopy (SEM). Thermal an alysis of all kinds of developed films were made by Differential Scanning Calo rimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA) and Thermogravimetric Analysis Derivative, where the DSC curves showed higher thermal stability for native starch films containing castor oil and epoxidized soybean, in which the thermal decomposition was observed between 270 and 291 o C, being higher than the temperatures of other films , and four stages of degradation for these films, and the others had only three stages of degradation. Native starch films with incorporation o f 3% fiber and 2.5% epoxidized soybean oil were buried in soils incubated for completion of the biodegradability test, and analysis of the emissions o f CO2, CH4, and N2O were performed by gas chromatography, it was possible to observe high CO2 emission rates in the first month of incubation for all films. After 90 days, the films were dug up, and the polymer matrix was completely biodegraded. / Há alguns anos, vários estudos têm sido realizados para transformação de matéria- prima de fontes renováveis em materiais biodegradáveis, visto que se faz necessário repensar o consumo e racionalizar a utilização de embalagens derivada s de polímeros sintéticos. Dentre estas matérias-primas pode ser destacado o amido de milho, produzido mundialmente com baixo custo e alto potencial de biodegradabilidade. Neste trabalho, visando uma possível aplicação em embalagens biodegradáveis, filmes poliméricos de amido foram desenvolvidos, utilizando amido de milho nativo, com a incorporação de 1 a 4% de fibras de bagaço de cana- de - açúcar proveniente de resíduos industriais, 2,5, 5 e 10% de óleo de mamona, e 2,5 e 5% de óleo de soja epoxidado, e filmes de amido de milho modificado com a incorporação de 1 a 3% de fibras de bagaço de cana, e 2,5 e 5% de óleo de soja epoxidado. Foram realizadas algumas análises mecânicas e térmicas para caracterização dos filmes. As propriedades mecânicas foram analisadas através de ensaio de tração em equipamento de Análise Térmica Dinâmico-Mecânica (DMT A). Dentre os filmes ensaiados em tração, se destacaram os filmes de amido de milho nativo que obtiveram os melhores resultados de resistência à tração (1,05 MPa) e a o alongamento na ruptura (77,66%), seguido do filme de amido nativo contendo 3% de fibras (0,81 MPa) e do filme de amido nativo contendo 2,5% de óleo de soja epoxidado (58,55%). As amostras fraturadas em tração foram analisadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Análises térmicas foram realizadas por Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Termogravimetria (TG) e Termogravimetria Derivada (DTG), onde as curvas de DSC mostraram maior estabilidade térmica para os filmes de amido nativo contendo óleos de mamona e de soja epoxidado, em que foi observada a decomposição térmica entre 270 e 291 o C, sendo mais elevadas que as temperaturas dos demais filmes, além de, quatro estágios de degradação para estes filmes, sendo que os demais obtiveram apenas três estágios de degradação. Filmes de amido nativo com incorporação de 3% de fibras e 2,5% de óleo de soja epoxidado, foram enterrados em solos incubados, para realização do teste de biodegradabilidade, e as análises das emissões do s gases CO 2 , CH 4 e N 2 O foram efetuadas por cromatografia gasosa, onde foi possível observar altas taxas de emissão de CO 2 no primeiro mês de incubação para todos os filmes. Após 90 dias, os filmes foram desenterrados, e a matriz polimérica foi totalmente biodegradada.

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

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5990.pdf: 3991723 bytes, checksum: 8f7428459353354f21c1db08bd391507 (MD5) Previous issue date: 2014-02-27 / Universidade Federal de Sao Carlos / The industrial production of fuel ethanol and sugar generates the main byproduct of sugarcane bagasse, which is burned in boilers for power generation. However, as a lignocellulosic material (consisting basically of three polymers: cellulose, hemicellulose and lignin), bagasse can be reused for the production of second generation bioethanol (2G), which is a renewable and environmentally friendly biofuel. For industrial 2G bioethanol production becomes economically feasible, the use of all fermentable fractions present in the bagasse is required: C6 fraction (cellulose) and C5 fraction (hemicellulose). These fractions are subjected to hydrolysis processes that generate as main sugars glucose and xylose respectively. It is important, therefore, that the microorganism employed for the production of ethanol 2G is able to utilize all the sugars generated during the hydrolysis process. In this work we chose the yeast Saccharomyces cerevisiae to be the main microorganism used in the industrial production of ethanol, although unfortunately, this yeast is unable to ferment xylose. However, while S. cerevisiae does not use xylose, can ferment xylulose obtained by isomerization of xylose by the enzyme glucose isomerase. The objective of this study was to develop and evaluate technological alternatives for the production of ethanol 2G from hexoses and pentoses using wild S. cerevisiae. In relation to the C6 fraction, in this work two important aspects have been addressed: i) study of the operation regime of a fed-batch reactor enzymatic hydrolysis of the C6 fraction of bagasse from sugarcane, yielding values of final glucose concentration of 200 g.L-1, higher than 45 g.L-1 achieved in batch reactor; ii) kinetic modeling of complex systems (enzymatic hydrolysis of lignocellulosic substrates), in which an interpolator was developed using fuzzy logic as an important tool to represent the processes of enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials for rugged and reliable manner. Now, in relation to the C5 fraction initially applied simple techniques of Evolutionary Engineering, leading to the selection of a different strain of S. cerevisiae, adapted to assimilate xylulose in minimal medium and characterized by reduced formation of xylitol, which demonstrated a selectivity of ~7 getanol.gxilitol -1, significantly higher than the selectivity achieved by the wild strain of ~2 getanol.gxilitol -1. The selected strain was studied in batch cultures conducted in bench scale reactor under different conditions of oxygen limitation. It was found that the production of ethanol is favored over the formation of xylitol, keeping the flow of consumed xylulose above 0,5 mmol.gMS -1.h-1 for flow of oxygen consumption of 0.1 mmol.gMS -1.h-1, reaching in this condition selectivities around 4 getanol.gxilitol -1. For zero flow of oxygen (anaerobic culture) or above 0,3 mmol.gMS -1.h-1, ethanol production is drastically reduced , regardless of the flow xylulose assimilated by the cells. / A produção industrial de etanol combustível e de açúcar gera como principal subproduto o bagaço de cana de açúcar, que é queimado nas caldeiras para geração de energia. Entretanto, por ser um material lignocelulósico (constituído basicamente por três polímeros: celulose, hemicelulose e lignina), o bagaço pode ser reaproveitado para a produção de bioetanol de segunda geração (2G), que é um biocombustível renovável e ambientalmente amigável. Para que a produção industrial de etanol 2G se torne economicamente viável, é necessário o aproveitamento de todas as frações fermentescíveis presentes no bagaço de cana: fração C6 (celulose) e fração C5 (hemicelulose). Estas frações são submetidas a processos de hidrólise que geram como principais açúcares glicose e xilose respetivamente. É importante, portanto, que o microrganismo empregado para a produção de etanol 2G seja capaz de utilizar todos os açúcares gerados no processo de hidrólise. Neste trabalho foi escolhida a levedura Saccharomyces cerevisiae por ser o principal microrganismo utilizado na produção industrial de álcool combustível, embora, infelizmente, esta levedura seja incapaz de fermentar xilose. No entanto, embora S. cerevisiae não utilize xilose, pode fermentar a xilulose obtida pela isomerização de xilose pela enzima xilose isomerase conhecida industrialmente como glicose isomerase. Assim, o objetivo do presente trabalho foi desenvolver e avaliar alternativas tecnológicas para a produção de etanol 2G a partir de hexoses e pentoses, utilizando S. cerevisiae selvagem. Em relação à Fração C6, neste trabalho foram abordados dois aspectos importantes: i) estudo da operação em regime de batelada alimentada de um reator de hidrólise enzimática da fração C6 do bagaço de cana de açúcar, obtendo-se valores de concentração final de glicose de cerca de 200 g.L-1, superiores aos 45 g.L-1 alcançados em reator operado em bateladas simples; ii) modelagem cinética de sistemas complexos (hidrólise enzimática de substratos lignocelulósicos), no qual foi desenvolvido um interpolador utilizando a lógica fuzzy como uma ferramenta importante para representar os processos de hidrólise enzimática de materiais lignocelulósicos de forma robusta e confiável. Já em relação à Fração C5, inicialmente aplicou-se técnicas simples de Engenharia Evolutiva, levando à seleção de uma linhagem diferenciada de S. cerevisiae, adaptada à assimilação de xilulose em meio mínimo e caracterizada por reduzida formação de xilitol, a qual apresentou uma seletividade de ~7 getanol.gxilitol -1, valor significativamente superior à seletividade alcançada pela linhagem selvagem, de ~2 getanol.gxilitol -1. A linhagem selecionada foi então estudada em cultivos em batelada conduzidos em biorreator de bancada, sob diferentes condições de limitação por oxigênio. Verificou-se que a produção de etanol é favorecida, em detrimento da formação de xilitol, mantendo-se o fluxo de xilulose consumida acima de 0,5 mmol.gMS -1.h-1, para fluxo de oxigênio consumido de 0,1 mmol.gMS -1.h-1, alcançando-se nessa condição seletividades em torno de 4 getanol.gxilitol -1. Para fluxos de oxigênio nulo (cultivo anaeróbio) ou acima de 0,3 mmol.gMS -1.h-1, a produção de etanol é drasticamente reduzida, independentemente do fluxo de xilulose assimilado pelas células.