Orientador: Maria Regina Wolf Maciel / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T21:28:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Abirached_Felipe_M.pdf: 4278352 bytes, checksum: def3ecc80961c6e8364905a2c8957dd2 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Nesta dissertação serão apresentados resultados de simulações de uma coluna de destilação de bioetanol com tecnologias de recheios e pratos visando obter uma configuração otimizada que possa reduzir as dimensões das colunas, tanto na altura quanto no diâmetro. Uma análise técnica e comparativa das tecnologias de pratos calotados, pratos valvulados, recheios estruturados e recheios randômicos serão apresentadas neste trabalho, bem como a comparação com a configuração de uma coluna de destilação convencional de pratos calotados com produção de bioetanol de 600 m3/d. As colunas B e B1 de destilarias convencionais serão consideradas / Abstract: In this work, many simulations results of bioethanol distillation columns with packings and trays technologies are presented in order to obtain an optimal configuration that can reduce the size of the columns, both in height and in diameter. A technical and comparative analysis of bubble cap trays, valve trays, structured packing and random packing will be presented, as well the comparison with the configuration of a conventional distillation column of bubble cap trays with bioethanol production of 600 m3/d. The columns B and B1 of conventional distilleries will be considered / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Antonio José de Almeida Meirelles / Texto em português e inglês / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-21T10:31:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Batista_FabioRodolfoMiguel_D.pdf: 2503364 bytes, checksum: 981f60d79f8a7a65e7ab2c5b944ab1d7 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A diminuição gradativa das reservas de combustíveis fósseis e a crescente preocupação com os efeitos do aquecimento global vêm impulsionando cada vez mais as pesquisas por fontes de energia limpa. Dentre essas energias, o etanol de cana-de-açúcar, utilizado no Brasil desde a criação do Programa Nacional do Álcool (PROALCOOL) em 1975, vem se consolidando cada vez mais e sofrendo modificações contínuas no seu processo produtivo. Essas modificações se devem,entre outros aspectos, ao surgimento do conceito de biorrefinaria, que visa um aproveitamento integral da biomassa da cana para produção de energia, e ao rápido e contínuo crescimento da indústria alcoolquímica brasileira, utilizando o etanol como matéria prima para a produção de diversos outros produtos,aumentando a demanda por etanol de melhor qualidade e impulsionando pesquisas no melhoramento do processo produtivo atual. Tendo em conta esse atual cenário, essa tese tem por objetivo estudar o processo de destilação alcoólica industrial, por simulação computacional, analisando a influência dos diversos contaminantes do fermentado de cana no funcionamento das colunas de destilação, investigando a possibilidade do desenvolvimento de uma nova planta industrial para a produção de álcool carburante e álcool neutro, um tipo especial de álcool de alto valor agregado com baixo teor de contaminantes utilizado na indústria de química fina e de bebidas. Para o cumprimento desse objetivo, esta tese está dividida em 6 capítulos: o Capítulo 1 apresenta uma revisão bibliográfica da produção científica associada à produção de álcool combustível, apontando as principais lacunas inerentes a esse tema; o Capítulo 2 discute a produção industrial de cachaça por sistema contínuo apresentando um cuidadoso estudo do equilíbrio de fase dos principais componentes do fermentado de cana de açúcar e analisando a influência dos mesmos no processo produtivo; o Capítulo 3 e o Capítulo 4 apresentam o estudo do processo de produção de álcool hidratado combustível discutindo a influência dos componentes do vinho no funcionamento das colunas, técnicas de otimização de processo aplicadas a um processo industrial real e técnicas de controle de processo aplicadas ao controle de acetaldeído e da graduação alcoólica no bioetanol; o Capítulo 5 apresenta uma nova planta industrial para produção de álcool neutro e álcool hidratado discutindo detalhadamente as vantagens e desvantagens do novo processo frente a plantas industriais tradicionais brasileira e francesa; por fim, o Capítulo 6 apresenta as conclusões gerais do trabalho sugerindo temas para investigações futuras. A análise dos resultados obtidos permitiu conluir que, ainda que consolidado, o processo produtivo de etanol através de cana-de-açúcar apresenta lacunas importantes, principalmente quando se deseja produzir etanol de qualidade superior. Nesse sentido, uma nova planta industrial foi proposta com o objetivo de produzir etanol neutro e hidratado em uma única instalação com redução nos custos de instalação (menor numero de colunas) e de consumo de vapor / Abstract: The gradual reduction of fossil fuel reserves and growing concerns about the effects of global warming have encouraged more research on clean energy sources. Among these energies, ethanol from sugar cane, used in Brazil since the creation of the National Alcohol Program (PROALCOOL) in 1975, has undergone continuous changes in their production process. These changes were due to the emergence of the concept of biorefineries, aiming at a full utilization of sugarcane biomass for energy production, and the continuous and quick growth of the Brazilian alcohol-chemical industry, using the ethanol as raw material for the production of several other products, increasing the demand for ethanol with better quality and boosting the research to improving the current production process.Taking into account this present scenario, this thesis aims to study an industrial process for ethanol production, by computational simulation, analyzing the influence of the contaminants of the fermented sugar cane in the operation of distillation columns, investigating the possibility of developing a new plant for the industrial production of fuel alcohol and neutral alcohol, a particular type of hydrated alcohol of high economic value and low content of contaminants used in the manufacture of fine chemicals and beverages. To fulfill this objective, this thesis is divided into six chapters: Chapter 1 presents a literature review of scientific literature related to the production of fuel alcohol, pointing out the main shortcomings inherent in this theme; Chapter 2 discusses an industrial process for cachaça production by continuous distillation featuring a careful study of the phase equilibrium of the main components of the fermented sugar cane and analyzing their influence in the production process; Chapter 3 and Chapter 4 presents the study of an industrial plant for hydrated fuel ethanol production discussing the influence of the main components of the wine in the columns operation, techniques of process optimization applied to a real industrial process and techniques of control process applied to the control of acetaldehyde and alcoholic graduation in bioethanol; Chapter 5 presents a new plant for neutral and hydrated alcohol productions, discussing in detail the advantages and disadvantages of the new process compared to traditional Brazilian and French industrial plants; finally, the Chapter 6 presents the overall findings of the study and suggesting topics for future investigations. Taking into account the results of this thesis, was possible to concluded that, although consolidated, the ethanol production process using sugar cane as raw material presents important gaps especially when related with high quality ethanol. Some of these shortcomings were solved by proposing a new industrial configuration in order to produce neutral and hydrated ethanol in a single installation with lower installation costs (less number of columns) and steam consumption / Doutorado / Engenharia de Alimentos / Doutor em Engenharia de Alimentos

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Doctora en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / Los ácidos grasos son un subproducto de bajo costo, abundante y cuyo producto de degradación puede ser fácilmente convertido en etanol, sin embargo no han sido debidamente considerados en la búsqueda de substitutos para combustibles fósiles. El principal inconveniente de la producción de bioetanol a partir de ácidos grasos en Escherichia coli, es que la síntesis de este metabolito es inactivada en presencia de oxígeno y la degradación de este polímero es más eficiente en presencia de este. Por ello, el primer paso fue realizar una modificación en el gen adhE que permitiera la codificación de un alcohol deshidrogenasa aerotolerante. A continuación y para optimizar la producción de etanol fue necesario considerar factores como el equilibrio redox y la alta conectividad del acetil-CoA, mediante herramientas de modelamiento matemático como el análisis de modos elementales. Como resultado es estos análisis se logró la predicción de la deleción de los genes fdnG (f), pflB (p), nuoG(n), ldhA(l) y ackA-pta (ap), y mediante técnicas basadas en PCR se generaron 3 cepas en E. coli K12 MG1655: fnfp*, fnfpl*y fnfplap*. Al realizar cultivos batch de estas cepas fue posible validar la tendencia predicha por la simulación in silico de un aumento significativo y sostenido en el flujo de etanol a medida que aumenta el número de deleciones, siendo clave la deleción del gen nuoG. Con respecto al crecimiento de las cepas en ácidos grasos, la cepa fnfplap* presentó una tasa de crecimiento y una producción de biomasa significativamente superior a la cepa silvestre de E. coli y a la mutante ΔfadR atoC*, e incluso fue capaz de crecer en desechos industriales del refinamiento de aceites vegetales. En estos cultivos, la tasa de producción de etanol también fue significativamente mayor al valor en ácido palmítico purificado, lo que muestra tanto el potencial de la cepa para ser utilizada a nivel industrial como el efecto del medio de cultivo en la producción de etanol. A pesar de estos resultados, los valores experimentales de producción de etanol no coincidieron con los obtenidos en la simulación, por lo que se realizaron simulaciones con un modelo genómico de E. coli. Estos análisis permitieron, por una parte, obtener información sobre posibles genes para eliminar, de modo de permitir la optimización de la producción de etanol a partir de ácido palmítico en condiciones de cultivo aeróbico, pero sin afectar complejos enzimáticos tan importantes como el de la NADH deshidrogenasa; y por otra, corroborar la hipótesis de que la presencia de oxígeno es indispensable para la degradación de los ácidos grasos. Los resultados de este trabajo de tesis muestran que fue posible producir etanol en un sistema de cultivo aeróbico usando como sustrato ácidos grasos, incluso en aquellos provenientes de desechos industriales, obteniéndose una cepa especializada en consumo de ácidos grasos. Adicionalmente, se mostró que el contenido del medio y la estrategia de cultivo pueden afectar directamente tanto la producción de etanol como de biomasa, hasta el punto de obtenerse niveles atractivos para la industria y el tratamiento de desechos ricos en este polímero.

Orientador: José Maria Ferreira Jardim da Silveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Economia / Made available in DSpace on 2018-08-27T10:45:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Murakami_ThaysGoncalvesdeLima_D.pdf: 10562342 bytes, checksum: 117ec4b1509fe2b8e1fb5ba7b3f11b9b (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A pesquisa tem por objetivo investigar as trajetórias tecnológicas que estão se formando na etapa de hidrólise enzimática para a produção de bioetanol de 2ª geração (também denominado bioetanol lignocelulósico). A escolha do bioetanol lignocelulósico como tema geral dessa tese mostra-se pertinente, haja vista que sua produção ainda se encontra em estágio inicial de desenvolvimento, criando oportunidade principalmente para países em desenvolvimento, que podem adequar suas políticas energéticas às especificidades locais (a partir da escolha de matérias-primas abundantes internamente a serem usadas como biomassa) e minimizar sua dependência de fontes fósseis. Particularmente o Brasil pode se beneficiar da produção de bioetanol lignocelulósico partindo do conhecimento e da infraestrutura já aplicados à produção de bioetanol da cana. A motivação para a seleção da etapa de hidrólise como tema específico está no fato de que esse processo ainda carrega muitas incertezas, não havendo tecnologia(s) líder(es) ou trajetória(s) dominante(s). Ao contrário, há um conjunto de rotas tecnológicas possíveis que precisam mostrar sua viabilidade técnica e econômica para se tornarem ideais. O estudo da rota enzimática, em detrimento da rota ácida, deve-se ao fato de que ela tem sido considerada pela literatura a mais promissora. Todavia, mesmo na hidrólise enzimática há enormes indefinições decorrentes da ampla diversidade de micro-organismos com potencial para degradação de material lignocelulósico que, no entanto, metabolizam as enzimas em diferentes proporções e condições ambientais. As incertezas decorrem também da ampla gama de enzimas degradadoras de matéria lignocelulósica e da ação sinérgica entre elas. Dado que cada matéria usada como biomassa possui uma composição lignocelulósica particular, a eleição do grupo de enzimas a serem usadas no processo de degradação se torna mais complexa. Com vistas a atender aos propósitos desta pesquisa ¿ de investigar as trajetórias tecnológicas em hidrólise enzimática para produção de bioetanol ¿ foi usada a base da Derwent Innovations Index durante o período de 1970 a 2014 para a seleção de patentes relacionadas ao tema. A partir da reunião das patentes de interesse, foram extraídas, sistematizadas e analisadas três categorias de informação dos documentos patentários, a saber, o(s) tipo(s) de pesquisa empreendido(s) (ou conteúdo da patente), o(s) micro-organismo(s) envolvido(s) na pesquisa e a(s) enzima(s) de interesse comercial. Com essas três categorias de informação, aplicou-se o modelo NK para detectar a presença de padrões de especialização entre `conteúdo-micro-organismo-enzima¿. Isso porque, espera-se que com o amadurecimento da rota de hidrólise enzimática, haja o afunilamento dos micro-organismos estudados, a paulatina eleição dos mais aptos à produção de bioetanol lignocelulósico e o direcionamento a determinadas enzimas, reduzindo o grau de incerteza que envolve o processo. O que se pretende com a investigação dessas três dimensões, portanto, é compreender em que direção os agentes públicos e privados estão focalizando seus esforços em termos de métodos/técnicas de pesquisa, em quais micro-organismos esses agentes têm apostado suas expectativas e em quais enzimas tem havido crescente interesse comercial. Essas dimensões, em seu conjunto, delineiam as trajetórias tecnológicas em hidrólise enzimática e dão pistas do atual estágio dessa rota de uma perspectiva setorial / Abstract: This research aims to investigate the technological trajectories in enzymatic hydrolysis process for the 2nd generation bioethanol production (also known as lignocellulosic bioethanol). The choice of the lignocellulosic bioethanol as the general topic of this work proves to be relevant, given that its production is still in early stage of development, creating opportunity especially for developing countries inasmuch as they can adjust their energetic policies to local conditions (choosing internally abundant raw materials to be used as biomass) and minimize their dependence on fossil fuels. Brazil particularly can benefit from lignocellulosic bioethanol production taking advantages from the knowledge and infrastructure already applied to the production of sugarcane bioethanol. The motivation for the study of the hydrolysis process is due to the uncertainties around it, to the extent that there is no dominant technology or trajectory. On the contrary, there are a number of possible technological routes that need to prove their technical and economic feasibility to become ideals, being the enzymatic route considered by the literature the most promising of them. Nevertheless, even in the enzymatic hydrolysis there are huge uncertainties arising from the wide range of micro-organisms with potential for the degradation of lignocellulosic matter. These microorganisms metabolize enzymes at different rates and at different environmental conditions. Uncertainties also arise from the wide range of enzymes needed to degrade the lignocellulosic matter and to the synergic action between them. Since each raw material used as biomass has a specific lignocellulosic composition, the choice of the group of enzymes to be used in the degradation process becomes more complex. In order to fulfill the purposes of this research ¿ to investigate the technological trajectories in enzymatic hydrolysis for bioethanol production ¿ we selected patents available in the Derwent Innovations Index database during the period 1970-2014. From the patent documents of interest we extracted, systematized and analyzed three categories of information, namely the type of the research (or patent content), the microorganism involved in the research and the enzyme of commercial interest. With these three categories of information, we applied the NK-model to examine the presence of specialization patterns among `type-microorganism-enzyme¿. It is expected that with the maturation of enzymatic hydrolysis route, there will be a reduction in the number of microorganisms studied, a gradual choice of the most suitable microorganisms and a focus on certain enzymes, reducing the degree of uncertainty involved in the process. The investigation of these three dimensions, therefore, is to understand in what direction the public and private actors are focusing their efforts in terms of methods/research techniques, microorganisms and enzymes. These dimensions, as a whole, outline the technological trajectories in enzymatic hydrolysis and track the current stage of this route in a sectorial perspective / Doutorado / Teoria Economica / Doutora em Ciências Econômicas

Orientador: Javier Telis Romero / Orientador: Juan Andrés Cárcel Carrión / Coorientador: Antonio Mulet Pons / Banca: José Vicente García Pérez / Banca: José Manuel Lorenzo Rodriguez / Banca: Pedro Esteves Duarte Augusto / Banca: Roger Darros Barbosa / Resumo: O pré-tratamento dos resíduos da agroindústria é uma das etapas mais complexas do processo de conversão da biomassa em bioetanol. Esta etapa consiste basicamente na aplicação de tratamentos físicos ou químicos à biomassa com o objetivo de hidrolizar parcialmente os carboidratos e que estes se tornem mais acessíveis para a ação subsequente de enzimas e microorganismos. Nesse sentido, o uso do ultrassom de alta intensidade tem se mostrado uma tecnologia com um potencial interessante, em combinação com métodos convencionais, para intensificar os processos de transporte de massa e energia. No presente estudo, foram caracterizados alguns resíduos agroindustriais, especificamente bagaço de mandioca, cascas de amendoim e resíduos de alcachofra como exemplos de materiais potenciais para a produção de bioetanol após pré-tratamentos ácidos com e sem a aplicação de ultrassom. Assim, os diferentes sistemas de soluções de biomassa/ácido foram caracterizados de acordo com suas propriedades termofísicas (densidade, calor específico, difusividade térmica e condutividade térmica) e comportamento reológico. Além disso, o campo acústico gerado em cada um dos diferentes sistemas foi caracterizado por um método calorimétrico, sendo estabelecidas relações entre as medidas acústicas e as propriedades termofísicas e reológicas. Posteriormente, determinou-se a cinética de liberação de açúcares redutores e totais e as mudanças estruturais produzidas nas suspensões consideradas durante os pré-tratamento... / Abstract: The pre-treatment of agroindustrial wastes is one of the most complex steps of their conversion process into bioethanol. This step consists basically of applying physical or chemical treatments in biomass in order to obtain carbohydrates partially hydrolyzed and more accessible for future action of enzymes and microorganisms. In this sense, the use of high-intensity ultrasound has been shown as a technology with an interesting potential, in combination with conventional methods, to enhance the mass and energy transfer processes. In the present study, it was characterized agroindustrial residues such as cassava bagasse, peanut shells and artichoke residues as potential materials for the production of bioethanol after acid pretreatment with and without the application of ultrasound. Thus, the different biomass/acid solutions systems were characterized according to their thermophysical properties (density, specific heat, thermal diffusivity and thermal conductivity) and rheological behavior. The acoustic fields generated in these different systems during ultrasound application were also characterized by a calorimetric method. Then, the ultrasonic intensity obtained in each case was related to the termophysical and reological properties. Subsequently, the kinetics of reducing and total sugar release and the structural changes produced in the suspensions considered during the pretreatments in acid solutions with conventional agitation or assisted by ultrasound were determined ... / Resumen: El pre-tratamiento de los residuos de la agroindustria es una de las etapas más complejas del proceso de conversión de biomasa en bioetanol. Esta etapa consiste basicamente en aplicar tratamientos físicos o químicos a la biomasa con el objetivo de conseguir la hidrolización parcial de los carbohidratos y que ésos se vuelvan más acesibles para la posterior actuación de enzimas y microrganismos. En este sentido, el uso de ultrasonidos de alta intensidad se ha mostrado como una tecnología con un potencial interesante para, en combinación con métodos convencionales, intensificar los procesos de transporte de materia y energía. En el presente estudio se caracterizaron algunos residuos agroindustriales, concretamente el bagazo de yuca, cáscaras de cacahuetes y residuos de alcachofa, como ejemplos de materias potenciales para la producción de bioetanol después del pre-tratamiento ácido, con y sin la aplicación de ultrasonidos. Así, se caracterizaron los diferentes sistemas biomasa/soluciones ácidas de acuerdo con sus propiedades termofísicas (densidad, calor específico, difusividad térmica y conductividad térmica) y comportamiento reológico. Además, se caracterizó el campo acústico generado en cada uno de los diferentes sistemas mediante un método calorimétrico y se establecieron relaciones entre las medidas acústicas y las propiedades termofísicas y reológicas. Posteriormente, se determinaron las cinéticas de liberación de azúcares reductores y totales y los cambios estructurales ... / El pretractament dels residus de l'agroindústria és una de les etapes més complexes del procés de conversió de biomassa a bioetanol. Aquesta etapa consisteix bàsicament en aplicar tractaments físics o químics a la biomassa per a conseguir que els carbohidrats siguin parcialment hidrolisats i siguen més accessibles per a la posterior actuació d'enzims i microorganismes. En aquest sentit, l'ús d'ultrasons d'alta intensitat s'ha mostrat com una tecnologia amb un potencial interessant per a, en combinació amb mètodes convencionals, intensificar els processos de transport de matèria i energia. En el present estudi, es van caracteritzar residus agroindustrials com el bagàs de iuca, corfes de cacauets i residus de carxofa com a matèries potencials per a la producció de bioetanol després del pretractament àcid, amb i sense l'aplicació d'ultrasons. Així, es van caracteritzar els diferents sistemes biomassa/solucions àcides d'acord amb les seves propietats termofísiques (densitat, calor específica, difusivitat tèrmica i conductivitat tèrmica) i comportament reològic. A més, es va caracteritzar el camp acústic generat en cada un dels diferents sistemes mitjançant un mètode calorimètric i es van establir relacions entre les mesures acústiques i les propietats termofísiques i reològiques. Posteriorment, es van determinar les cinètiques d'alliberament de sucres reductors i totals i els canvis estructurals produïts en les suspensions considerades durant els pretractaments en ... / Doutor

Las cianobacterias tienen potencial como productoras de biocombustibles y otros productos químicos, ya que pueden crecer utilizando el CO2 presente en la atmósfera como fuente de carbono, la luz como fuente de energía y el agua como fuente de electrones. Esto resulta atractivo en el contexto actual de cambio climático ocasionado por las elevadas concentraciones de CO2 en la atmósfera. En esta tesis se estudia la producción de etanol de cuarta generación y polihidroxibutirato (PHB) a partir de la cianobacteria Synechocystis sp. PCC 6803, con un enfoque de Ingeniería de Sistemas Metabólicos. En primer lugar, se cura un modelo estequiométrico de escala genómica (GEM) de dicha cianobacteria con información bibliográfica específica actualizada, con el objetivo de mejorar las predicciones in silico. Luego, el GEM es validado frente a datos experimentales fisiológicos y datos de fluxómica, demostrándose que la curación resulta efectiva en mejorar las predicciones del modelo. Con el modelo curado y validado, se formulan problemas de programación binivel para buscar estrategias de acoplamiento, a través de la supresión de genes, entre el crecimiento y la producción del compuesto de interés con el objetivo de convertir al metabolito deseado en un subproducto obligado del crecimiento y que en consecuencia, su producción resulte una parte integral de la función metabólica del organismo. Matemáticamente, las intervenciones genéticas se representan por medio de variables binarias asociadas a dichos genes. Estos problemas son reformulados por medio de la teoría de la dualidad, obteniéndose como resultado problemas de programación mixta entera lineal (MILP) en un solo nivel que se resuelven tanto para el caso de etanol como para el de PHB. Existen en bibliografía formulaciones de este tipo, aunque con variables binarias asociadas a reacciones. El aporte realizado en esta tesis al incorporar asociación de variables binarias a genes es un avance en el agregado de información biológica a este tipo de formulaciones. En el caso del etanol se obtienen dos mutantes factibles que presentan diferentes estrategias de intervención para acoplar la producción al crecimiento, una relacionada con la producción de acetato y la otra, con el balance celular de poder reductor, siendo el segundo caso el más prometedor desde el punto de vista biotecnológico ya que aumenta en un 235 % la productividad de la cepa con respecto a las productividades presentadas en bibliografía. Para este producto, también se estudia la posibilidad de producción con una estrategia en dos etapas. En dicha estrategia, se considera un primer biorreactor con condiciones que maximicen el crecimiento y un segundo biorreactor donde un nutriente limita dicho crecimiento y se favorece la producción de etanol. Esta estrategia mejora aún más los índices de producción. En el caso de PHB también se obtienen dos mutantes factibles, pero la estrategia de acoplamiento no varía. La diferencia entre ambos son dos intervenciones más, que hacen que la tasa de producción de PHB aumente un 25%. La estrategia, en este caso, también está relacionada con el balance de poder reductor de la red, pero se observan mayores cambios en los flujos metabólicos internos que para el caso del etanol. La productividad del mejor mutante se analiza en condiciones de exceso y de limitación de nutrientes. Las productividades obtenidas vuelven atractiva la realización de experimentos in vivo para avanzar en el diseño de cepas de Synechocystis como fábricas celulares de etanol de cuarta generación y de bioplásticos. Los modelos desarrollados constituyen herramientas útiles para el diseño de cepas industriales para la producción fotosintética no solo de biocombustibles y bioplásticos, sino también de compuestos de interés en una gran variedad de industrias como la farmacéutica, la nutracéutica, de biofertilizantes, entre otros. / Cyanobacteria are potential candidates for biofuel and chemical product production, due to their ability to grow autotrophically, on the atmospheric CO2 as carbon source, light as energy source, and water as electron source. These capacities become attractive in the current climate change context, caused by the high concentrations of CO2 in the atmosphere. In this thesis, the production of fourth generation ethanol and polyhydroxybutyrate (PHB) from the cyanobacteria Synechocystis sp. PCC 6803 is studied through a Systems Metabolic Engineering approach. First, a genomic scale stoichiometric model (GEM) of Synechocystis is curated, based on specialized and actualized bibliography, to improve the in silico predictions. Then, the GEM is validated against physiological and fluxomic data. After model curation and validation, bilevel programming problems are formulated, to determine genetic engineering strategies to couple growth and bioproduct production by gene knock-outs. The aim of coupling production is turning the biotechnological compound into an obligate subproduct of growth, so that its production becomes an integral part of the organism’s metabolic function. Mathematically, knock-outs are represented by binary variables associated to the corresponding genes. This bilevel programming problems are reformulated into one level Mixed Integer Linear Programming (MILP) problems by applying the duality theory, and are solved for both ethanol and PHB cases. Considering binary variables associated with genes instead of reactions is a novel contribution of this thesis. and constitutes a step towards the incorporation of biological meaning into in silico results. For the case of ethanol, two feasible mutants are obtained, with different intervention strategies to couple production to growth. One of the strategies is related to acetate production and the other with the cellular reductive power balance. The latter is the most promising case from a biotechnological point of view, because it gives a productivity 235%.higher than those reported in bibliography. Also, a two-stage ethanol production strategy is addressed, where a first bioreactor with growth maximizing conditions and a second one with nutrient limiting conditions are considered. This strategy further improves production indexes. In the case of PHB, two feasible mutants are obtained with similar coupling strategies. The difference between them are two interventions that improve PHB production rate by 25%. The strategy in this case is also related with the cellular reductive power balance, but more changes in the internal metabolic fluxes are required, as compared to the ethanol case. The productivity of the best mutant is analyzed under excess and limiting nutrient conditions. The results obtained are encouraging to make further in vivo experiments to move forward in the design of Synechocystis as a microbial cell factory of fourth generation biofuels and bioplastics. The models developed in this thesis constitute useful tools for the design of industrial strains for the photosynthetic production of not only biofuels and bioplastics, but also of compounds of interest with application in a wide range of industries like pharmaceutical, nutraceutical and biofertilizers, among others

Orientador: Gustavo Ventorim / Resumo: O conceito de biorrefinaria surgiu do intuito de diminuir a dependência dos produtos oriundos do petróleo e seus consequentes problemas ambientais. Pesquisas buscam técnicas e materiais que substituam a matéria prima de origem fóssil por biomassa, agregando valor a produtos de origem renovável ou que anteriormente seriam descartados. A produção de combustíveis de 2ª geração (como bioetanol) possibilita o repasse de um custo razoável ao setor de transporte devido ao uso de matéria prima de baixo custo. A composição de forte associação entre celulose, hemicelulose e lignina exige uso de um método de pré-tratamento que atenue a interação entre os componentes da biomassa e facilite a conversão em bioprodutos. Este trabalho tem como objetivo estudar a combinação de pré-tratamentos, auto-hidrólise e polpação soda na obtenção de pasta celulósica a partir de cavacos de eucalipto. Esta polpa passa por processo de hidrólise ácida liberando açúcares que, na presença de microrganismos específicos (Saccharomyces cerevisiae) são fermentados a etanol. Cavacos de eucalipto pré-tratados por auto-hidrólise passaram por cozimentos soda em concentração de álcali ativo de 20%, 23% e 26%, estudando-se a influência da concentração de álcali no rendimento de produção de bioetanol. A polpação utilizando 20% de álcali ativo produziu rendimento de 130,30 L de etanol a partir de uma tonelada de cavacos, tendo maior impacto no rendimento que as polpações de 23% de álcali ativo, que foi responsável por um... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The concept of biorefinery appear from the idea of reducing dependence on petroleum products and their consequent environmental problems. Researches seek techniques and materials that substitute the feedstock of fossil origin for biomass, adding value to products of renewable origin or that would previously be discarded. The production of second-generation fuels (such as bioethanol) makes it possible to pass along a reasonable cost to the transportation sector due to low cost raw materials use. The strong association between cellulose, hemicellulose and lignin requires a pretreatment method that attenuates the interaction between biomass components and facilitates the conversion into bioproducts. It was studied the combination of, auto-hydrolysis and soda pulping (alkaline) pre-treatments to efficiently obtain cellulose must go through acid hydrolysis process. This pulp after being hydrolized liberates sugars that, in the presence of specific microorganisms (Saccharomyces cerevisiae), could be fermented to ethanol. Eucalyptus pretreated by auto-hydrolysis method were treated by soda pulping in active alkali concentration of 20%, 23%b and 26%, studying the influence of the alkali concentration on the yield of bioethanol. Pulping using 20% active alkali yielded 130,30L of ethanol from one ton of chips, which has better impact than the 23% active alkali pulping, which was responsible for a production of 118,8 L of ethanol and 26% active alkali pulping that produced 101,9L. All y... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Ingeniera Civil en Biotecnología / Los combustibles fósiles son cada vez más escasos y la contaminación ambiental sigue en aumento, por lo que es imprescindible la búsqueda de nuevas fuentes de energía. Una alternativa es la producción de bioetanol, la cual se puede realizar a partir de residuos de biomasa forestal, lo que es bastante conveniente para la situación chilena, ya que la industria forestal es una de las más importantes en este país. Este trabajo de memoria consistió en estudiar distintas condiciones del proceso productivo del bioetanol, a partir de residuos de Eucaliptus globulus Labill (eucalipto) como material lignocelulósico. La primera parte de este estudio consistió en utilizar líquidos iónicos protonados (PILs) en la etapa de pre-tratamiento, con condiciones de operación de 30 o 60 minutos a 60, 70, 80 y 90°C. En este caso, se obtuvo pequeños aumentos en el rendimiento de la sacarificación al utilizar acetato de 2-hidroxydietilamonio (2-HDEAA) y lactato de 2-hidroxyetilamonio (2-HEAL) en el pre-tratamiento. El mejor resultado se obtuvo con 2-HEAL a 70°C, durante 30 minutos, aunque este rendimiento no supera el 4%. En la segunda parte de este estudio, se analizaron distintas condiciones de operación en la etapa de pre-tratamiento, de secado y de lavado del proceso productivo del bioetanol. En la etapa del pre-tratamiento, se utilizaron dos líquidos iónicos aprotonados (AILs): [EMIM][Cl] y [EMIM][Ac]. En los estudios en los que se utilizó [EMIM][Cl] no se obtuvieron buenos resultados, ya que los rendimientos no superaron el 6%, lo que se debe a las impurezas que presentó el LI utilizado. En el caso del [EMIM][Ac] se obtuvieron muy buenos resultados, ya que se los rendimientos fueron de hasta un 63%, lo que equivale a obtener 351 mg de glucosa / gr de material pre-tratado. Si se compara este resultado con resultados anteriores (con [EMIM][Cl]), en los cuales el mejor rendimiento corresponde de 185 mg de glucosa / gr de material pre-tratado, se obtiene un aumento del 90% en el rendimiento. La última etapa de este estudio correspondió a la sacarificacion y fermentacion simultáneas, en las cuales se analizaron distintas cargas de biomasa, LI en el pre-tratamiento y distintos métodos de obtención del inóculo de levaduras. Los mejores rendimientos se obtuvieron con una carga de biomasa del 5%, con el material pre-tratado con [EMIM][Ac] y con el inóculo obtenido sin propagación, equivalentes a un rendimiento de 412 litros de etanol por tonelada de material pre-tratado. Al comparar estos resultados con los mejores obtenidos en estudios previos, se observó un aumento de un 182% en el rendimiento. Finalmente, con el rendimiento de 412 litros de etanol por tonelada de material pre-tratado, y buscando reemplazar el 2% o un 5% del requerimiento de gasolina para el año 2012, se logra cubrir un 1,2% o un 0,5% de la demanda de este combustible respectivamente. Para obtener mejores porcentajes de cobertura se debe optimizar este proceso productivo, o se podría aumentar la cantidad de material disponible, para esto se propone el uso de cultivos dendroenergéticos de eucalipto. Como conclusión al trabajo realizado, se estima conveniente continuar este estudio, con el fin de aumentar el rendimiento del proceso productivo del bioetanol. Para esto se recomienda realizar más estudios con 2-HDEAA, 2-HEAL y con [EMIM][Ac], ya que estos presentaron los mejores resultados. Por otro lado, se recomienda estudiar el reciclaje de líquidos iónicos, ya que se deben reducir los costos de este proceso productivo.

Idag produceras bioetanol från grödor som sockerrör, majs, vete osv. Det är ett etiskt dilemma att använda potentiell mat för produktion av bränsle när det samtidigt som det råder matbrist i många länder. En bättre lösning är att använda restprodukter istället. I projektet utnyttjades restprodukter som bröd.  Bröd innehåller stärkelse som består av glukosmonomerer. Idag finns många intressanta produkter som skulle kunna utnyttjas istället för att använda matprodukter som nämndes ovan. Två olika brödsorter användes i experimenten som kommer från lantmännen. De två olika brödsorterna var korvbröd och brödmix (blandade brödrester). Anledningen till varför olika sorter av bröd användes var för att kunna jämföra om det finns någon skillnad mellan produkten. För att kunna se det, behövdes bröd förberedas och med samma faktorer som temperatur, koncentration och alla steget som den måste gå igenom dvs förvätskning, sackarifering och fermentering.  För kunna produceras etanol från brödrester behövdes två steg av stärkelsehydrolys. Första steget kallas förvätskning och med hjälp av enzymet alfa-amylas kunde stärkelsens kedja klippas till kortare kedjor. Viskositet testades efter förvätskning för att kunna bestämma vilken eller vilka koncentrationer skulle process kunna utföras. Det visades sig att mellan 10 och 30 procent av bröd går att använda. Efter detta steg skedes en annan process som kallas sackarifiering som utfördes med enzymet gluko-amalys för att frigöra glukos. Detta steg användes framför allt för när jäst användes. Jäst har inte förmåga att produceras eller omvandlas kolhydraten till glukos.  Svamp- och jäst-mikroorganismer användes i processen. Efter sackarifiering tillfördes mikroorganismerna i processen som kallas jäsning eller fermentering för att producera etanol och djurfoder som är slutprodukter. I projektet användes olika former av mikroorganismer som pellet, filamentös och sporer som inokulat. Detta gjordes för att se om det finns någon skillnad mellan olika formerna.  Det spelade ingen roll vilken typ av bröd som användes. Högsta koncentration av etanol var ca 26 g/L.  I projektet utnyttjades även tunndrank som kommer också från lantmännen. Anledningen var att minska användnings av rent vatten vid etanolproduktion. / Today bioethanol is produced from crops such as sugar cane, corn, and wheat. It is an ethical dilemma to use potential food for fuel production when a lot of countries do not have enough food. There is a better solution for this case and that is to use waste products. In this project exploitation of bread waste was investigated. Bread is rich in starch which consist of glucose monomers. Two types of bread waste were used in the experiment: hotdog bread and mixed bread. The reason why two types of breads were used was to compare if there are any differences between the products. The bread was prepared via liquefaction and saccharification using different factors like temperature and solid concentration, and was then fermented.   In the first step, liquefication, alpha-amylase was used to cut the starch polymer to shorter oligomers. The viscosity was tested after liquefaction to determine which bread concentrations could be used. It turned out that between 10 and 30 percent of bread was usable. In the next step, saccharification, gluco-amylase was used to release glucose monomers. This step was used mainly when yeast was used.  Both fungi and yeast-microorganisms were used in the process. After saccharification the microorganisms were added to the process to carry out fermentation to produce ethanol and animal feed as final products. In the project different forms of fungi were used for inoculation like pellets, filamentous, and spores. This was done to see if there were any difference between the forms.   The type of bread that was used did not matter. The highest concentration of ethanol was ca 26 g/L.  In the project thin stillage from was also used. The reason was to reduce the amount of clean water for ethanol production.