Orientador: Javier Telis Romero / Coorientador: Henry Alexander Váquiro / Banca: Ana Cristina de Souza / Banca: Marinonio Lopes Cornelio / Banca: Maria Aparecida Mauro / Banca: Renato Alexandre Ferreira Cabral / Resumo: A hidrólise do material lignocelulósico por processos não térmicos como o ultrassom de potência, oferece uma alternativa não poluente e uma oportunidade de aumentar a produção de açúcares redutores e totais na etapa de pré-tratamento, para posterior aplicação de agentes biológicos ou químicos. No entanto, as principais desvantagens desse processo são os poucos estudos documentados na literatura sobre sua aplicação na indústria de etanol e a dificuldade de estudar seu mecanismo de ação no material. Assim, o objetivo principal deste trabalho foi estudar a aplicação do ultrassom de potência no pré-tratamento do material lignocelulósico de resíduos da bananeira (pedúnculo). Primeiramente, a composição química do pedúnculo seco foi determinada através dos métodos oficiais. Análises experimentais foram realizadas para determinar o calor específico (c p, kJ/kg oC) e a densidade (ρ, kg/m3) de soluções aquosas acidificadas de pedúnculo em pó, através de calorimetria diferencial analítica (DSC) e picnometria, respectivamente. Modelos de primeira ordem em função do pH, temperatura e concentração de biomassa foram obtidos para o calor específico e a densidade, através do método "stepwise regression". Uma vez obtidos os modelos para c p e ρ, foi possível calcular os campos acústicos nas soluções aquosas de pedúnculo em pó empregando o método calorimétrico, encontrando-se uma relação inversamente proporcional entre a potência acústica e intensidade acústica transmitida ao sistema com a concentração de biomassa. Além disso, foi realizado um planejamento experimental para determinar o efeito dos fatores: concentração de biomassa (x, g/mL), potência nominal de ultrassom (U, W), pH e tempo (t, min) sobre as respostas: produção de açúcares totais (S T, mg/g) e açúcares redutores (S R, mg/g). Para isto, foi usado um processador ultrassônico que o opera a uma frequência de 24 kHz e... / Abstract: The hydrolysis of lignocellulosic material by non-thermal process as the high-intensity ultrasound provides a non-polluting method and the opportunity to increase the production of total and reducing sugars in the pretreatment process, for further use by biological or chemical agents. However, the major disadvantages of these methodologies are the little documentation about the application in the ethanol industry and the difficulty to study the action mechanism in the material. Thus, the aim of this work was to study of power ultrasound effects on the pretreatment of lignocellulosic material of banana waste (flower stalk). First, a chemical composition of dried flower stalk was determined by official methods. Experimental analyses were realized to determine the specific heat capacity (c p, kJ/kg oC) and the density (ρ, kg/m3) of the acidified aqueous solutions of flower-stalk powder, by differential scanning calorimetric (DSC) and pycnometry methods, respectively. First order models as a function of pH, temperature and biomass concentration were obtained for the properties specific heat capacity and density, using the stepwise regression method. Once obtained the models for the c p and ρ, a determination of the acoustic fields in the aqueous solutions of flower-stalk powder by the calorimetric method was carried out, being found an indirect relationship between the power transferred and acoustic intensities in the system with the biomass concentration. Moreover, an experimental design was carried out to determine the effects of the factors: biomass concentration (x, g/mL) nominal power ultrasound (U, W), pH and time (t, min) under the responses: total sugars yield (S T, mg/g) and reducing sugars yield (S R, mg/g). For this, an ultrasonic processor with frequency of 24 kHz and nominal power of 1500 W was employed. Experimental results showed that the factors biomass concentration and nominal ... / Doutor

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:24Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-04-26Bitstream added on 2014-06-13T19:14:47Z : No. of bitstreams: 1 silva_df_me_rcla.pdf: 811973 bytes, checksum: 1a5fb48f9eb21e38921310824f3c1431 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Atualmente, as celulases são enzimas bastante estudadas para a hidrólise de resíduos ligno-celulósicos para obtenção de açúcares fermentescíveis utilizáveis em diferentes processos biotecnológicos. Um destes resíduos é o bagaço de cana proveniente da indústria sucroalcooleira, que pode ser uma alternativa para produção de bioetanol, desde que haja tecnologia eficaz e econômica para a conversão em açúcar (glicose ou xilose). O objetivo deste trabalho foi encontrar fungos celulolíticos produtores de enzimas que sejam eficientes nos processos de degradação da biomassa lignocelulósica. No presente trabalho foram selecionados 12 fungos celulolíticos previamente isolados pelo Laboratório de Biotecnologia Industrial (UENSP – Assis). Estes fungos foram cultivados em bagaço de cana-de-açúcar como substrato e para seus extratos foram testados suas atividades para celulases (FPase) e endoglucanase (CMCase) e comparados com o T.reesei CCT 2768. Os fungos mais eficientes foram às linhagens: M51, FS09, MG10A e FS11A. Destes, se destacaram respectivamente para atividade FPase e CMCase, os fungos FS09 com 0,054 FPU/mL ou 1,79 FPU/g de substrato e 0,874 U/mL ou 29,1 U/g de substrato; seguido pela M51 com 0,049 FPU/mL ou 1,62 FPU/g de substrato e 1,094 U/mL ou 36,46 U/g de substrato, valores vezes superior em relação ao fungo T. reesei CCT 2768, espécie considerada uma dos principais microrganismos de referência em estudos para a produção de celulases. A imobilização da celulase comercial em microesferas de alginato e de hidrogéis (alginato/quitosana) mostraram resultados promissores para os protocolos com adição da enzima durante o processo de formação dos derivados, tanto os peletes como os biofilmes, sendo os melhores derivados, o pelete B e o biofilme E’. Com estes protocolos de... / Nowadays the cellulases are widely studied for the hydrolysis of ligno-cellulosic residues to obtain fermentable and economic sugars for several biotechnological applications. Cane bagasse is the most important residue from sugar factory, which could be an alternative of substrate to produce bioethanol or other biotechnological production, but it depending on the economical technology for the conversion in simple sugar (glucose or xylose). In the present study was selected 12 cellulolytic fungi, previous isolated by the Laboratory of Industrial Biotechnology (UNESP – Assis). These fungi were cultivated in cane bagasse as substrate and their extracts was tested as FPU and Endoglucanase (CMCase) activity and compared with T. reesei CCT 2768. The most efficient fungi were the not yet identified strains: M51, FS09, MG10A e FS11A. Respectively for FPase and CMCase activity, the strain FS09 shows 0.054 FPU/mL or 1.79 FPU/g of substrate, and 0.874 U/ml or 29.1 U/g of substrate, followed by M51 with 0.049 FPU/mL or 1.62 FPU/g of substrate, and 1.094 U/mL or 36.46 U/g of substrate. These results were higher than T. reesei CCT 2768, considered as a important microorganism for the studies of the production of cellulose. Immobilization of commercial cellulase in microspheres of alginate and hydrogels (alginate/chitosan) was procedure and it showed promising results for the protocols of the enzyme with added during the formation of derivatives (immobilized enzymes). The best immobilization of cellulase was obtained with the pellets and biofilms produced by the protocols B and E', respectively. These protocols were responsible for the increase in cellulolytic activity of 56% (protocol B) and 44% (protocol E´) when compared with the enzyme used in the immobilization process due to the 13 and 28 recycles of the enzyme. It is hoped that... (Complete abstract click electronic access below)

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:26Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-08-02Bitstream added on 2014-06-13T20:30:11Z : No. of bitstreams: 1 carrion_lm_me_sjrp.pdf: 381584 bytes, checksum: f7ac95eb0ed933b2a92b058b0e3faefb (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / A efetiva produção de etanol lignocelulósico depende de leveduras capazes de fermentar a fração hemicelulósica da biomassa lignocelulósica que é composta em sua maioria por xilose. Há uma grande dificuldade em encontrar esses microrganismos já que a capacidade de utilizar xilose como fonte de carbono não é apresentada pela maioria das leveduras. Neste trabalho leveduras isoladas de diferentes materiais da zona rural,foram testadas quanto à assimilação de xilose e glicose, e fermentação de xilose a 30°C, onde observou-se diferentes comportamentos entre diferentes linhagens da mesma espécie. As linhagens de leveduras isoladas foram identificadas pela técnica molecular PCR-RFLP empregando-se as regiôes ITS 5,8 S e D1/D2 do DNA ribossômico. Três leveduras identificadas como espécies de Cândida tropicalis foram avaliadas quanto a capacidade de produção de xilitol e etanol a partir de meio basal com xilose como única fonte de carbono e do licor negro da extração da celulose hidrolisado por enzimas do fungo Thermoascus aurantiacus. A produção de xilitol foi semelhante nos dois substratos, entretanto a produção de etanol foi maior quando o licor negro foi empregado, esses resultados mostraram que a quantidade e a natureza dos açúcares presentes nos meios foram um interferente maior no metabolismo da levedura que os compostos tóxicos presentes no licor negro / The effective lignocellulosic ethanol production depends on yeasts that are able to ferment the hemicellulosic biomass fraction, which is mostly composed by xylose. There is a big difficulty in finding such microorganisms because most yeasts do not use xylose as a carbon source. In this work, yeasts isolated from different materials were tested for xylose and glucose assimilation and xylose fermentation at 30°C ,where it was observed different behaviors between strains of the same species. The strains isolated were identified by PCR-RFLP molecular technique employing the ITS 5,8 and D1/D2 regions of ribosomal DNA. Three yeasts were identified as Cândida tropicalis species and their ability to produce xylitol and ethanol from xylose and the black liquor from the cellulose extraction hydrolyzed by enzymes of the fungus Thermoascus aurantiacus was evaluated. The xylitol production was similar in both media, but the ethanol production was higher when the black liquor was used, these results shows that the quantity and nature of the sugars present in the media have a bigger interference in the metabolism of yeast to toxic compounds present in black liquor

Submitted by WELLINGTON PINE OMORI null (wpomori@hotmail.com) on 2018-03-02T14:43:37Z No. of bitstreams: 1 Tese_Wellington_Pine_Omori.pdf: 3601697 bytes, checksum: 300108bd7832f7e80a842293e639462a (MD5) / Approved for entry into archive by Alexandra Maria Donadon Lusser Segali null (alexmar@fcav.unesp.br) on 2018-03-05T18:02:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 omori_wp_dr_jabo.pdf: 3601697 bytes, checksum: 300108bd7832f7e80a842293e639462a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-05T18:02:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 omori_wp_dr_jabo.pdf: 3601697 bytes, checksum: 300108bd7832f7e80a842293e639462a (MD5) Previous issue date: 2018-02-07 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A torta de filtro apresenta bagaço residual oriundo do processo de extração do caldo de cana-de-açúcar e quando armazenada por longos períodos, se torna um habitat ideal para o desenvolvimento de comunidades microbianas que atuam na desconstrução da lignocelulose. Nossas análises de dados de sequenciamento de DNA metagenômico sugerem que a torta de filtro armazenada por 40 dias possui uma microbiota com características funcionais e ecológicas exclusivas em relação a outros ambientes com elevada disposição de material lignocelulósico. Assim como em ambientes de compostagem, os filos mais abundantes são Actinobacteria, Proteobacteria, Firmicutes e Bacteroidetes. Dentre os principais genes que estes micro-organismos possuem, estão Glicosiltransferases, Carboidrato Esterases e Glicosil Hidrolases, que atuando em conjunto, são passíveis de desconstruírem a lignocelulose e participarem na liberação de açúcares menores, ácidos orgânicos e outros nutrientes. Neste trabalho, identificamos novas enzimas da família AA10 que oxidam a celulose cristalina, demostrando o potencial deste ambiente em possibilitar a adaptação de micro-organismos que expressam enzimas capazes de desestruturar a celulose altamente condensada, possibilitando a liberação de moléculas de glicose. A comunidade microbiana pode acessar nutrientes como Fósforo e Nitrogênio através da despolimerização da biomassa vegetal ou decomposição da microbiota morta. No ciclo biogeoquímico do nitrogênio, a evaporação de amônia é reduzida pela assimilação desta substância pela comunidade microbiana, sendo que a amônia é produzida pela via de amonificação de nitrato e nitrito. Outro ciclo biogeoquímico identificado na torta de filtro foi o do carbono, ocorrendo diminuição da emissão de metano e gás carbônico devido ao uso destas moléculas no metabolismo microbiano. Por apresentar muitas espécies de micro-organismos termofílicos e funções ecológicas similares a compostagens que alcançaram fase termofílica, a torta de filtro armazenada por 40 dias não aparenta conter micro-organismos patogênicos em elevada abundância, o que poderia ser um indício de sua segurança biológica se usado como adubo no solo. No entanto, recomenda-se que novos estudos sejam realizados neste tipo de ambiente agrícola, afim de avaliar como se comportam principalmente os fungos Neosartorya fumigata e Paracoccidioides brasiliensis, os quais são identificados como agentes patogênicos mas que também são encontrados vivendo na natureza como organismos saprofíticos e em interação com alguns mamíferos, sem causar doença. / The filter cake presents residual bagasse from the process of extracting the sugarcane juice and when stored for long periods, it becomes an ideal habitat for the development of microbial communities that act in the deconstruction of lignocellulose. Our analyzes of metagenomic DNA sequencing data suggest that the filter cake stored for 40 days has a microbiota with unique functional and ecological characteristics compared to other environments with high lignocellulosic material. Thus in composting environments, the most abundant phyla are Actinobacteria, Proteobacteria, Firmicutes, and Bacteroidetes. Glycosyltransferases, Carbohydrate Estersases and Glycoside Hydrolases, which act together, are capable of deconstructing lignocellulose and participate in the release of smaller sugars, organic acids and other nutrients. In this work, we identify new enzymes of the AA10 family that oxidize crystalline cellulose, demonstrating the potential of this environment to enable the adaptation of microorganisms that express enzymes capable of destabilizing highly condensed cellulose, allowing the release of glucose molecules. The microbial community can access nutrients such as Phosphorus and Nitrogen through the depolymerization of the plant biomass or decomposition of the dead microbiota. In the biogeochemical cycle of nitrogen, the evaporation of ammonia is reduced by the assimilation of this substance by the microbial community, and ammonia is produced by ammonification of nitrate and nitrite. Another biogeochemical cycle identified in the filter cake was that of carbon, with a decrease in the emission of methane and carbon dioxide due to the use of these molecules in microbial metabolism. Because it contains many species of thermophilic microorganisms and ecological functions similar to composting that reached the thermophilic phase, the filter cake stored for 40 days does not appear to contain pathogenic microorganisms in high abundance, which could be an indication of its biological safety if used as soil fertilizer. However, it is recommended that new studies be carried out in this type of agricultural environment, in order to evaluate the behavior of the fungi Neosartorya fumigata and Paracoccidioides brasiliensis, which are identified as pathogens but are also found living in nature as saprophytic organisms and in interaction with some mammals, without causing disease.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:03:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RoberioMN.pdf: 839058 bytes, checksum: 1087756ecda3734e7aef07c3e72cb26c (MD5) Previous issue date: 2008-02-27 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / ?-D-glucosidase (EC 3.2.1.21) is one of the most interesting glycosidases, especially for hydrolysis cellobiose releasing glucose, is last step degradation of cellulose. This function makes the ?-D-glucosidase is of great interest as a versatile industrial biocatalyst, being critical to various bio-treatment / biorefinery processes, such as bioethanol production. Hen in the report, a ?-D-glucosidase was extracts from protein extracted of the invertebrate marine Artemia franciscana was purified and characterized with a combination of precipitation with ammonium sulfate (0 - 30%, 30 to 50%, 50 to 80%), the fraction saturated in the range of 30 to 50% (called F-II) was applied in a molecular exclusion chromatography, in Sephacryl S-200, the fractions corresponding to the first peak of activity of ?-D-glucosidase were gathered and applied in a chromatography of ion exchange in Mono Q; the third peak this protein obtained chromatography, which coincides with the peak of activity of ?-D-glucosidase was held and applied in a gel filtration chromatography Superose 12 where the first peak protein, which has activity of ?-D-glucosidase was rechromatography on Superose 12. This enzyme is probably multimerica, consisting of three subunit molecular mass of 52.7 kDa (determined by SDS-PAGE) with native molecular mass of 157 kDa (determined by gel filtration chromatography on Superose 12 under the system FPLC). The enzyme was purified 44.09 times with a recovery of 1.01%. Using up p-nitrophenyl-?-D-glucopiranoside as substrate obtained a Km apparent of 0.229 mM and a Vmax of 1.109 mM.60min-1.mL-1mM. The optimum pH and optimum temperature of catalysis of the synthetic substrate were 5.0 and 45 ?C, respectively. The activity of the ?-D-glucosidase was strongly, inhibited by silver nitrate and N- etylmaleimide, this inhibition indicates the involvement of radical sulfidrila the hydrolysis of synthetic substrate. The ?-D-glucosidase of Artemia franciscana presented degradativa action on celobiose, lactose and on the synthetic substrate ?-nitrophenyl-?-D-glucopiranoside indicating potential use of this enzyme in the industry mainly for the production of bioethanol (production of alcohol from the participating cellulose), and production hydrolysate milk (devoid of milk lactose) / ?-D-glicosidase (EC 3.2.1.21) ? uma das mais interessantes glicosidases, especialmente por hidrolisar celobiose liberando glicose, ?ltimo passo de degrada??o de celulose. Esta fun??o faz com que a ?-D-glicosidase seja de grande interesse como um vers?til biocatalizador industrial, sendo critica para v?rios processos de bio-tratamento / biorrefinaria, como produ??o de bioetanol. Neste trabalho, uma ?-D-glicosidase extra?da de extratos prot?icos do invertebrado marinho Artemia franciscana foi purificada e caracterizada com uma combina??o de precipita??o com sulfato de am?nio (30; 50; 80%), a fra??o saturada na faixa de 50% (chamada F-II) foi aplicada em uma cromatografia de exclus?o molecular em Sephacryl S-200, as fra??es correspondentes ao primeiro pico de atividade da ?-D-glicosidase foram reunidas e aplicadas numa cromatografia de troca i?nica em Mono Q; o terceiro pico prot?ico obtido nessa cromatografia, o qual coincide com o pico de atividade da ?-D-glicosidase, foi reunido e aplicado numa cromatografia gel filtra??o Superose 12 onde o primeiro pico prot?ico, o qual possui atividade da ?-D-glicosidase, foi recromatografado em Superose 12. Esta enzima provavelmente ? multimerica, constitu?da por tr?s subunidades, de massa molecular de 52,7 kDa (determinado por SDS-PAGE) e com massa molecular nativa de 157 kDa (determinado por cromatografia gel filtra??o em Superose 12 sob o sistema FPLC). A enzima foi purificada 44,09 vezes com uma recupera??o de 1,01%. Utilizando-se ?-nitrofenil-?-D-glicopiranos?deo como substrato obtivemos uma Km aparente de 0,229 mM (12,7 ?M de produto/cm/hora) e Vm?x de 1,109 mM.60min-1.mL-1. O pH ?timo e a temperatura ?tima de cat?lise do substrato sint?tico foram 5,0 e 45?C, respectivamente. A atividade ?-D-glicosid?sica foi fortemente inibida por nitrato de prata e N-etilmaleimida, esta inibi??o indica o envolvimento de radicais sulfidrila na hidr?lise do substrato sint?tico. A ?-D-glicosidase de Artemia franciscana apresentou a??o degradativa sobre celobiose, lactose e sobre o substrato sint?tico ?-nitrofenil-?-D-glicopiranos?deo, indicando potencial uso desta enzima na ind?stria principalmente para produ??o de bioetanol (produ??o de ?lcool a parti de celulose) e produ??o de leite hidrolisado (leite destitu?do de lactose)

Orientador: Pedro de Oliva Neto / Banca: Hamilton Cabral / Banca: Ivanise Guilherme Branco / Resumo: Atualmente, as celulases são enzimas bastante estudadas para a hidrólise de resíduos ligno-celulósicos para obtenção de açúcares fermentescíveis utilizáveis em diferentes processos biotecnológicos. Um destes resíduos é o bagaço de cana proveniente da indústria sucroalcooleira, que pode ser uma alternativa para produção de bioetanol, desde que haja tecnologia eficaz e econômica para a conversão em açúcar (glicose ou xilose). O objetivo deste trabalho foi encontrar fungos celulolíticos produtores de enzimas que sejam eficientes nos processos de degradação da biomassa lignocelulósica. No presente trabalho foram selecionados 12 fungos celulolíticos previamente isolados pelo Laboratório de Biotecnologia Industrial (UENSP - Assis). Estes fungos foram cultivados em bagaço de cana-de-açúcar como substrato e para seus extratos foram testados suas atividades para celulases (FPase) e endoglucanase (CMCase) e comparados com o T.reesei CCT 2768. Os fungos mais eficientes foram às linhagens: M51, FS09, MG10A e FS11A. Destes, se destacaram respectivamente para atividade FPase e CMCase, os fungos FS09 com 0,054 FPU/mL ou 1,79 FPU/g de substrato e 0,874 U/mL ou 29,1 U/g de substrato; seguido pela M51 com 0,049 FPU/mL ou 1,62 FPU/g de substrato e 1,094 U/mL ou 36,46 U/g de substrato, valores vezes superior em relação ao fungo T. reesei CCT 2768, espécie considerada uma dos principais microrganismos de referência em estudos para a produção de celulases. A imobilização da celulase comercial em microesferas de alginato e de hidrogéis (alginato/quitosana) mostraram resultados promissores para os protocolos com adição da enzima durante o processo de formação dos derivados, tanto os peletes como os biofilmes, sendo os melhores derivados, o pelete B e o biofilme E'. Com estes protocolos de... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Nowadays the cellulases are widely studied for the hydrolysis of ligno-cellulosic residues to obtain fermentable and economic sugars for several biotechnological applications. Cane bagasse is the most important residue from sugar factory, which could be an alternative of substrate to produce bioethanol or other biotechnological production, but it depending on the economical technology for the conversion in simple sugar (glucose or xylose). In the present study was selected 12 cellulolytic fungi, previous isolated by the Laboratory of Industrial Biotechnology (UNESP - Assis). These fungi were cultivated in cane bagasse as substrate and their extracts was tested as FPU and Endoglucanase (CMCase) activity and compared with T. reesei CCT 2768. The most efficient fungi were the not yet identified strains: M51, FS09, MG10A e FS11A. Respectively for FPase and CMCase activity, the strain FS09 shows 0.054 FPU/mL or 1.79 FPU/g of substrate, and 0.874 U/ml or 29.1 U/g of substrate, followed by M51 with 0.049 FPU/mL or 1.62 FPU/g of substrate, and 1.094 U/mL or 36.46 U/g of substrate. These results were higher than T. reesei CCT 2768, considered as a important microorganism for the studies of the production of cellulose. Immobilization of commercial cellulase in microspheres of alginate and hydrogels (alginate/chitosan) was procedure and it showed promising results for the protocols of the enzyme with added during the formation of derivatives (immobilized enzymes). The best immobilization of cellulase was obtained with the pellets and biofilms produced by the protocols B and E', respectively. These protocols were responsible for the increase in cellulolytic activity of 56% (protocol B) and 44% (protocol E') when compared with the enzyme used in the immobilization process due to the 13 and 28 recycles of the enzyme. It is hoped that... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2015-10-14T15:23:31Z No. of bitstreams: 1 FabianoAvelinoGoncalves_TESE.pdf: 5166245 bytes, checksum: 9524f366a3b9abeb13a597b0952e3c5b (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Maia (aniolly@bczm.ufrn.br) on 2015-10-14T16:09:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 FabianoAvelinoGoncalves_TESE.pdf: 5166245 bytes, checksum: 9524f366a3b9abeb13a597b0952e3c5b (MD5) / Made available in DSpace on 2015-10-14T16:09:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FabianoAvelinoGoncalves_TESE.pdf: 5166245 bytes, checksum: 9524f366a3b9abeb13a597b0952e3c5b (MD5) Previous issue date: 2014-04-23 / O presente trabalho investigou o potencial de diferentes materiais lignocelul?sicos residuais gerados em regi?es rurais e urbanas (fibra de coco maduro, casca de coco verde e casca de coco maduro), al?m de vegetal cultivado em ambientes in?spitos (cacto) visando ? produ??o de etanol, sendo todos, materiais abundantes na regi?o Nordeste do Brasil. Esses materiais foram submetidos aos pr?-tratamentos com per?xido hidrog?nio alcalino seguido por hidr?xido de s?dio (PHA-PHS), autohidr?lise (PA), hidrot?rmico catalisado com hidr?xido de s?dio (PHCHS) e organosolv usando etanol alcalino (POEA). Os materiais pr?-tratados foram submetidos ? hidr?lise enzim?tica e as estrat?gias de fermenta??o e sacarifica??o simult?nea (SSF) e fermenta??o e sacarifica??o semi-simult?nea (SSSF), utilizando-se Saccharomyces cerevisiae, Pichia stipitis e Zymomonas mobilis. Avaliou-se tamb?m, a presen?a de compostos inibit?rios (hidroximetilfurfural, furfural, ?cido ac?tico, ?cido f?rmico e ?cido levul?nico) e a ?gua marinha no meio de cultivo. Os materiais pr?-tratados por PHAPHS resultaram na deslignifica??o dos materiais em uma faixa entre 54,0 e 71,0%, contendo entre 51,80 e 54,91% de celulose, entre 17,65 e 28,36% de hemicelulose, entre 7,99 e 10,12% de lignina. As hidr?lises enzim?ticas proporcionaram convers?es dos materiais em glicose entre 68,0 e 76,0%. Os rendimentos em etanol utilizando SSF e SSSF para a fibra de coco maduro pr?-tratada variaram entre 0,40 e 0,43 g/g, 0,43 e 0,45 g/g, respectivamente. Os materiais pr?-tratados por PA apresentaram rendimentos de s?lidos entre 42,92 e 92,74%, contendo entre 30,65 e 51,61% de celulose e entre 21,34 a 41,28% de lignina. As hidr?lises enzim?ticas resultaram nas convers?es dos materiais em glicose entre 84,10 e 92,52%. Os rendimentos em etanol utilizando casca de coco verde pr?-tratada e as estrat?gias SSF e SSSF foram entre 0,43 e 0,45 g/g. A fibra de coco maduro pr?-tratada por PHCHS apresentou rendimentos de s?lidos entre 21,64 e 60,52%, com aumento de celulose entre 28,40 e 131,20%, redu??o de hemicelulose entre 43,22 e 69,04%, redu??o de lignina entre 8,27 e 89,13%. A hidr?lise enzim?tica resultou em convers?o do material em glicose de 90,72%. Os rendimentos em etanol utilizando SSF e SSSF foram 0,43 e 0,46 g/g, respectivamente. Os materiais pr?-tratados por POEA apresentaram redu??es de s?lido entre 10,75 e 43,18%, aumento de celulose em at? 121,67%, redu??o de hemicelulose em at? 77,09% e redu??o de lignina em at? 78,22%. As hidr?lises enzim?ticas resultaram nas convers?es dos materiais em glicose entre 77,54 e 84,27%. Os rendimentos em etanol utilizando cacto pr?-tratado e as estrat?gias SSF e SSSF foram entre 0,41 e 0,44 g/g, 0,43 e 0,46 g/g, respectivamente. As fermenta??es alco?licas realizadas em biorreator resultaram em rendimentos e produ??o de etanol entre 0,42 e 0,46 g/g, 7,62 e 12,42 g/L, respectivamente. Os compostos inibit?rios apresentaram efeitos sin?rgicos negativos nas fermenta??es realizadas por P. stipitis, Z. mobilis e S. cerevisiae. O ?cido f?rmico e o ?cido ac?tico apresentaram efeitos mais significativos entre os compostos inibit?rios, seguido pelo hidroximetilfurfural, furfural e ?cido levul?nico. As fermenta??es realizadas em meio de cultivo dilu?do com ?gua marinha apresentaram resultados promissores, especialmente quando se utilizou S. cerevisiae (0,50 g/g) e Z. mobilis (0,49 g/g). Os diversos resultados obtidos no presente trabalho indicam que, os materiais lignocelul?sicos, pr?-tratamentos, estrat?gias fermentativas e micro-organismos estudados merecem aten??o por parecerem promissores e pass?veis de serem utilizados no contexto de biorrefinaria visando ? produ??o de etanol. / The present work investigated the potential of different residual lignocellulosic materials generated in rural and urban areas (coconut fibre mature, green coconut shell and mature coconut shell), and vegetable cultivated in inhospitable environments (cactus) aimed at the production of ethanol, being all materials abundant in the Northeast region of Brazil. These materials were submitted to pretreatments with alkaline hydrogen peroxide followed by sodium hydroxide (AHP-SHP), autohydrolysis (AP), hydrothermal catalyzed with sodium hydroxide (HCSHP) and alkali ethanol organosolv (AEOP). These materials pretreated were submitted to enzymatic hydrolysis and strategies of simultaneous saccharification and fermentation (SSF) and saccharification and fermentation semi-simultaneous (SSSF) by Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis and Pichia stipitis. It was also evaluated the presence of inhibitory compounds (hydroxymethylfurfural, furfural, acetic acid, formic acid and levulinic acid) and seawater during the fermentative process. Materials pretreated with AHP-SHP have resulted in delignification of the materials in a range between 54 and 71%, containing between 51.80 and 54.91% of cellulose, between 17.65 and 28.36% of hemicellulose, between 7.99 and 10.12% of lignin. Enzymatic hydrolysis resulted in the conversions in glucose between 68 and 76%. Conversion yields in ethanol using SSF and SSSF for coconut fibre mature pretreated ranged from 0.40 and 0.43 g/g, 0.43 and 0.45 g/g, respectively. Materials pretreated by AP showed yields of solids between 42.92 and 92.74%, containing between 30.65 and 51.61% of cellulose, 21.34 and 41.28% of lignin. Enzymatic hydrolysis resulted in glucose conversions between 84.10 and 92.52%. Proceeds from conversion into ethanol using green coconut shell pretreated, in strategy SSF and SSSF, were between 0.43 and 0.45 g/g. Coconut fibre mature pretreated by HCSHP presented solids yields between 21.64 and 60.52%, with increased in cellulose between 28.40 and 131.20%, reduction of hemicellulose between 43.22 and 69.04% and reduction in lignin between 8.27 and 89.13%. Enzymatic hydrolysis resulted in the conversion in glucose of 90.72%. Ethanol yields using the SSF and SSSF were 0.43 and 0.46 g/g, respectively. Materials pretreated by AEOP showed solid reductions between 10.75 and 43.18%, cellulose increase up to 121.67%, hemicellulose reduction up to 77.09% and lignin reduced up to 78.22%. Enzymatic hydrolysis resulted in the conversion of glucose between 77.54 and 84.27%. Yields conversion into ethanol using the SSF and SSSF with cactus pretreated ranged from 0.41 and 0.44 g/g, 0.43 and 0.46 g/g, respectively. Fermentations carried out in bioreactors resulted in yields and ethanol production form 0.42 and 0.46 g/g and 7.62 and 12.42 g/L, respectively. The inhibitory compounds showed negative synergistic effects in fermentations performed by P. stipitis, Z. mobilis and S. cerevisiae. Formic acid and acetic acid showed most significant effects among the inhibitory compounds, followed by hydroxymethylfurfural, furfural and levulinic acid. Fermentations carried out in culture medium diluted with seawater showed promising results, especially for S. cerevisiae (0.50 g/g) and Z. mobilis (0.49 g/g). The different results obtained in this study indicate that lignocellulosic materials, pretreatments, fermentative processes strategies and the microorganisms studied deserve attention because they are promising and capable of being used in the context of biorefinery, aiming the ethanol production.

O uso de resíduos agrícolas como fonte de carbono para a geração de energia renovável parece uma solução promissora para reduzir nossa dependência em combustíveis fósseis. Na natureza, como na compostagem, comunidades microbianas formam redes metabólicas complexas que degradam eficientemente a biomassa disponível através de um conjunto de enzimas sinérgicas. Entretanto, a desconstrução da lignocelulose continua uma desafio para a indústria devido a natureza recalcitrante do substrato e a baixa atividade das enzimas, aumentando o preço do biocombustível produzido. Estudos de metagenômica e metatranscriptômica de comunidades microbianas complexas tornam possível acessar as funções metabólicas empregadas por consórcios lignocelulolíticos e revelar novos biocatalisadores que podem melhorar a conversão industrial da lignocelulose. Aqui, através de uma abordagem metagenômica, foi examinada a diversidade de microrganismos obtidos em condições laboratoriais quando um meio definido ou um complexo foi usado no seu crescimento. Em seguida, a comunidade microbiana derivada de compostagem foi crescida em meio mínimo com bagaço de cana-de-açúcar como única fonte de carbono. A degradação do substrato foi monitorada e o metatranscriptoma da cultura resultante foi sequenciado, seguido pela seleção e caracterização funcional de vários alvos. Durante as cinco semanas de estudo, a comunidade microbiana crescida em meio mínimo mostrou maior diversidade e enriquecimento em microrganismos capazes de degradar a lignocelulose do que a comunidade microbiana crescida no meio complexo. A partir do metatranscriptoma foi descoberta a primeira hidrolase de glicosídeo da família 11 com atividade exoxilanase (C21). A estrutura cristalográfica da C21, refinada à 1,76 Å, revelou que a atividade exoxilanase observada se deve a presença de duas alças que não estão presentes nas demais estruturas dos membros da família 11 de hidrolase de glicosídeo depositadas até então. A adição da C21 a um coquetel comercial provocou um aumento na velocidade de hidrólise do Avicel quando na presença de xilooligômeros. As análises metagenômica e metatranscriptômica da comunidade microbiana proveniente da compostagem revelaram que o uso de um meio definido pode deslocar espécies generalistas, levando a uma fonte enriquecida para explorar enzimas com aplicação biotecnológica. Também demonstrou a diversidade de mecanismos envolvidos na degradação in situ da lignocelulose. / Using of the globally abundant crop residues as carbon source for energy generation seems a promising solution to reduce our dependency on fossil fuels. In nature, such as in compost habitats, microbial communities create complex metabolic networks that efficiently degrade the available plant biomass using a set of synergistic enzymes. However, deconstruction of lignocellulose remains a challenge for industry due to recalcitrant nature of the substrate and enzymes low activity, raising the price of the produced biofuel. Metagenomics and metatranscriptomics studies on complex microbial communities can assess the metabolic functions employed by the lignocellulolytic consortia and unveil novel biocatalysts that could improve industrial lignocellulose conversion. Here, using 16S rRNA amplicon metagenomic approach, we examined the diversity of microorganisms obtained in the laboratory setting when a nutrient-limited or nutrient-rich media are used. Then, a microbial community derived from compost was grown in minimal medium with sugarcane bagasse as a sole carbon source. The substrate degradation was monitored and the metatranscriptome from the resulting cultures was sequenced; several target genes were selected and functional characterized. During a five-week time course, the microbial community grown in minimal medium showed greater diversity and enrichment in lignocellulose-degrading microorganisms than the one grown in nutrient rich medium. Metatranscriptomics analysis revealed the first glycoside hydrolase from family 11 with exo-xylanase activity (C21). C21 crystal structure, refined at 1.76 Å, explained the molecular basis of exo-xylanase activity due to two extra loops previously unseen in the other reported structures from members from glycoside hydrolase family 11. A supplementation of commercial enzyme mix with C21 showed improvement in Avicel hydrolysis in the presence of inhibitory xylooligomers. The combination of metagenomic and metatranscriptomic analysis of compost-derived microbial community showed that nutrient-limited medium may displace bacterial generalist species, leading to an enriched source for mining novel enzymes for biotechnology applications. It also unveiled a diversity of mechanisms involved in lignocellulose degradation in situ.

Atualmente, o aumento da preocupação com a sustentabilidade ambiental, alinhado às perspectivas de esgotamento das reservas de petróleo, tem direcionado às buscas por fontes renováveis de energia. O emprego de resíduos agroindustriais, principalmente de usinas sucroalcooleiras destaca-se como sendo uma alternativa para a produção de etanol de segunda geração. Dentre as metodologias aplicadas para disponibilização dos açúcares fermentescíveis está a hidrólise enzimática. Ainda, para facilitar esta etapa e torná-la mais acessível, submete-se, previamente, o material lignocelulósico a um pré-tratamento, com o objetivo de contribuir com a susceptibilidade da celulose a ataques enzimáticos. No entanto, devido à complexidade das estruturas lignocelulósicas, os processos de hidrólise e pré-tratamento precisam se tornar mais eficientes e economicamente viáveis. Desta forma, o objetivo desse trabalho foi avaliar e caracterizar os pré-tratamentos hidrotérmico e organossolve (etanol 50%), isoladamente, e estes combinados em diferentes condições, assim como a influência destes procedimentos na estrutura e composição da biomassa, bem como na hidrólise enzimática. Os resultados demonstraram que os pré-tratamentos hidrotérmicos a 160 ºC nas condições analisadas foram pouco efetivos na melhora do acesso enzimático durante a etapa de hidrólise, pois atuaram de maneira branda na parede celular, pouco solubilizando a hemicelulose e lignina, conforme as análises físicas comprovaram. Os tratamentos combinados hidrotérmico 30 min e 60 min a 160 ºC seguidos pelo organossolve por 150 min apresentaram semelhança morfológica e alta solublização da lignina e hemicelulose, justificando os valores de hidrólise. Nossos resultados abrem perspectivas de novos estudos que visam a otimização dos pré-tratamentos hidrotérmicos e organossolve, além da compreensão das alterações composicionais e morfológicas que levam à melhoria da hidrólise enzimática na biomassa lignocelulósica. / The concerns with environmental sustainability and perspectives of petroleum reserves depletion motivated exploration of new and sustainable energy sources. In this context, renewable energies start to receive significant attention in the world´s energy matrix, with biofuels playing a special role. The use of agro-industrial residues, mainly from the sugarcane industry, stands out as a viable alternative for the production of second-generation ethanol. The enzymatic hydrolysis of the biomass has a number of advantages for polysaccharides depolimerization, such as high substrate specificity, low environmental impact and lack of corrosion issues. To further facilitate this procedure and to make biomass more accessible, the lignocellulosic material has to be previously submitted to a pretreatment in order to increase the cellulose accessibility and susceptibility to the enzymatic action. This process aims at the disorganization of the chemical structure of the lignocellulosic matter, facilitating the further steps of hydrolysis and fermentation. Due to the complexity of the lignocelluloses structures, their pretreatment and hydrolysis processes have to become more efficient and economically viable to be efficiently applied at an industrial scale. Therefore, the objective of this work is to evaluate the hydrothermal and organosolv (50% ethanol) pretreatments, separately and combined in different conditions, and the influence of these procedures on the structure and composition of the biomass and on the efficiency of enzymatic hydrolyses. Our results demonstrated that the hydrothermal pretreatments at 160ºC within the analyzed reaction conditions had minor effects on improving the enzymatic efficiency, being not harsh enough to introduce significant modifications of the cell wall composition and structure, as demonstrated by our physical and chemical analyses. The combined hydrothermal treatments lasting 30 min and 60 min at 160ºC followed by the organosolv step for 150 min resulted in significant morphological changes and high lignin and hemicelluloses solubilization, resulting in an efficient enzymatic hydrolysis. Our results open perspectives of further studies aimed at optimization of hydrothermal and organosolv pretreatments and comprehension of compositional and morphological changes which lead to improved enzymatic hydrolysis of the lignocelulosic biomass.

Orientador: Pilar Rodriguez de Massaguer / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-16T13:46:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 NolascoJunior_Jonas_D.pdf: 1793020 bytes, checksum: 50a108545c351293fc67eba7a94f669d (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Nesta pesquisa foi verificada a eficiência de tratamento térmico UHT para mostos a base de caldo de cana e melaço, otimizado para preservação máxima (> 98,7%) do conteúdo dos açúcares sacarose, glicose e frutose causando 3 reduções logarítmicas no micro-organismo alvo, os esporos de Geobacillus stearothermophilus ATCC 1518. Os mostos tratados termicamente tiveram suas características fermentativas avaliadas utilizando as linhagens industriais de leveduras LNF SA-1 e LNF BG-1, utilizadas na produção de bioetanol. A eficiência dos processos térmicos otimizados foi avaliada em unidade piloto de esterilização contínua Microthermics® com aquecimento indireto utilizando os binômios 125ºC/30s, 130ºC/11s, 130ºC/37s e 135ºC/5s, selecionados a partir de estudos cinéticos de destruição térmica dos esporos de G. stearothermophilus ATCC 1518 nas temperaturas 98º, 110ºC, 120ºC, 122,5ºC e 130ºC e dos açúcares sacarose, glicose, frutose e açúcares redutores totais, ART, nas temperaturas 110ºC, 120ºC, 130ºC e 140ºC, utilizando como meio mosto a 21,5ºBrix e pH 6. Os estudos cinéticos foram realizados em batelada com tubos TDT, 6 mm DI x 8 mm DE x 100 mm de comprimento. O protocolo de processo representado pelo binômio 135ºC/5s foi obtido por extrapolação. O processo térmico contínuo se mostrou mais eficiente que o processo predito através dos ensaios cinéticos em batelada. O número de reduções logarítmicas médio de 2,58 obtido experimentalmente, (nintegral-biológico), em cada um dos protocolos de processo utilizado, foi 7,35% maior que os valores calculados de 2,41, (nintegral-calculado), utilizando os perfis de temperatura obtidos em cada uma das secções da unidade piloto de esterilização, estimados com a velocidade média de escoamento. A preservação da sacarose foi maior que 99,20% enquanto que a preservação dos açúcares redutores totais foi superior a 99,52%. Nos dois processos térmicos com os binômios 130ºC/37s os valores de nintegral-biológico foram maiores que 5,87 e 7,47 e preservação dos açúcares mínima de 99.45%. Teoricamente qualquer dos protocolos de processos térmicos é capaz de causar 108 reduções logarítmicas nos Lactobacillus sp, contaminante comumente encontrados nos mostos durante fermentação. Com relação às características fermentativas dos mostos tratados termicamente, as velocidades específicas máximas de crescimento diminuíram com o aumento da temperatura de tratamento térmico dos mostos de 0,42 h-1 para 0,19 h-1 para LNF SA-1 e de 0,57 h-1 para 0,09 h-1 para LNF BG-1. Os tempos de adaptação obtidos para a linhagem LNF SA-1 variaram de 3,10 h a 4,97 h, mas, em mostos tratados na temperatura mais elevada de 135ºC por 5s, foi de 11,17 h. Para a linhagem LNF BG-1 os tempos de adaptação obtidos variaram de 5,92 h para 6,65 h para os binômios 125ºC/30s, 130ºC/11s e 130ºC/37s, mas no tratamento com o binômio 135ºC/5s foi obtido 10,88 h. A produtividade das leveduras ficou entre 0,24-0,34 g etanol/g de célula/h enquanto que o rendimento em etanol variou de 87,56% a 89,73%, valores dentro dos padrões industriais. Máximo rendimento foi obtido quando foi utilizado mosto tratado a 130ºC/37s em que foi obtido valor de nintegral-biológico maior que 5,87, indicando que os protocolos de tratamento térmicos podem ter exercido diferentes efeitos sobre a disponibilidade de macro e micro nutrientes essenciais para as leveduras / Abstract: In this research is verified the efficiency of a UHT heat treatment process for musts based on sugar cane juice and molasses optimized for maximum preservation of the content in the sugars sucrose, glucose and fructose, using as target the heat resistant spores of Geobacillus stearothermophilus ATCC 1518. Heat treated musts had their fermentative characteristics evaluated using the industrial yeast strains LNF SA-1 and LNF BG-1 for the production of bioethanol in Brazil. The efficiency of the thermal graphically optimized processes was assessed in continuous sterilization Microthermics® pilot plant with indirect heating following the binomials 125ºC/30s, 130ºC/11s, 130ºC/37s and 135ºC/5s, selected from thermal destruction kinetic studies of G. stearothermophilus spores at the temperatures 98ºC, 110ºC, 120ºC, 122.5ºC, 125ºC and 130ºC, and of the sugars sucrose, glucose, fructose and total reducing sugars, TRS, at the temperatures 110ºC, 120ºC, 130ºC and 140ºC, in must media, 21.5ºBrix and pH 6.4. Kinetic studies were carried out in batch, using TDT tubes 6 mm DI x 8 mm DE x 100 mm length. The process condition of the binomial 135ºC/5s was obtained by extrapolation. The continuous heat process was more efficient than the predicted from the batch kinetic tests. The mean number, 2.58, of integral log reduction experimentally obtained for the target microorganism, (nintegral-biological), was 7.35% higher than the mean number, 2.41, of integral calculated values, (nintegral-calculated), using the temperature profile estimated for each of section of the pilot unit with the mean flow velocity. It was found that sugar retention in the musts thermally processed was higher than 99.2% and 99.52% for sucrose and total reducing sugar, respectively. The two thermal processes that followed the binomial 130ºC/37s resulted in nintegral-biological greater than 5.87 and 7.47 with minimal preservation of sugars of 99.45%. Theoretically any of these processes is capable of causing 108 decimal reductions on Lactobacillus sp, typical contaminant found in musts and fermentation. Fermentation characteristics of heat-treated musts were assessed and the kinetic responses of the yeasts in terms of their maximum specific growth rates, in the heat treated musts, decreased with increase in heat treatment temperature of the musts from 0.42 h-1 to 0.19 h-1 for LNF SA-1 and from 0.57 h-1 to 0.09 h-1 for LNF BG-1. The adaptation times obtained for strain LNF SA-1 varied from 3.10 h to 4.97 h, but in musts treated with the highest temperature, 135ºC for 5s, the value was 11.17 h. For the strain LNF BG-1 the adaptation times varied from 5.92 h to 6.65 h, but in musts treated with the highest temperature, 135ºC for 5s, the value was 10.88 h. Cell productivity was in the range of 0.24-0.34 g ethanol/g of cell/h and the yield was in the range 87.56 - 89.73%. Maximum fermentation yield was obtained using musts treated with the binomial 130ºC/37s, for which integral biological n-values found was greater than 5.87, suggesting that the thermal treatment protocols may have exerted different effects on availability of macro and micro essential nutrients for yeasts / Doutorado / Doutor em Ciência de Alimentos