Orientadores: Luis Augusto Barbosa Cortez, Marcelo Pereira da Cunha / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola / Made available in DSpace on 2018-08-25T21:19:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cardoso_TerezinhadeFatima_D.pdf: 3738702 bytes, checksum: e368bb547a1651b00f2e7c3133f1f8aa (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A colheita de cana crua, sem queima, tem sido imposta principalmente por questões ambientais e com vistas ao aproveitamento integral da cana-de-açúcar. Questões econômicas, ambientais e sociais induzem à mecanização da colheita, o que pode proporcionar melhores condições de trabalho e o aproveitamento da palha, com a eliminação da queima prévia. Parte da palha pode ser utilizada para cobertura do solo, melhorando o reciclo de nutrientes, a retenção de água e redução da erosão. Outra parte da palha poderá ser recolhida, enviada para a indústria e utilizada para geração de eletricidade e/ou para produção de etanol de 2ª geração. Este trabalho, com auxílio da Biorrefinaria Virtual de Cana-de-açúcar (BVC/CTBE), empregou as metodologias de insumo-produto e análise de ciclo de vida (ACV) para analisar os impactos socioeconômicos e ambientais do recolhimento e aproveitamento da palha de cana-de-açúcar no setor sucroenergético, considerando (i) a tecnologia de colheita existente (colhedora Convencional) e em desenvolvimento (Estrutura de Tráfego Controlado ¿ ETC, proposta de mecanização com redução e controle do tráfego), (ii) a parcela de palha recolhida, (iii) a forma de recolhimento e transporte e (iv) seu uso. Avaliou-se, também, a viabilidade econômica de cada rota tecnológica considerada. Verificou-se que a colheita integral é economicamente vantajosa na fase agrícola e que a redução da densidade de carga pode ser compensada com menor perda de colmos, devido à redução de potência dos extratores da colhedora. O enfardamento apresenta custos elevados para pequenas frações de recolhimento devido à redução na capacidade operacional das máquinas. A análise do modelo verticalizado de produção (fase agrícola e industrial) mostrou que a baixa eficiência da estação de limpeza a seco interfere diretamente nos rendimentos da indústria, diminuindo a vantagem da colheita integral. A proposta de recolher palha através de colheita integral com palha repicada apresentou bons resultados nas simulações, reduzindo o custo de transporte e melhorando a eficiência de separação da palha na indústria. Considerando o modelo verticalizado de produção, fardos 7,5 t/ha (com colhedora convencional) e Integral sem ponteiro repicada (ETC) apresentam maiores valores para TIR, 12,0% e 14,2%, respectivamente. A fase agrícola responde por 80% a 90% dos impactos ambientais, variando de acordo com o cenário e a categoria de impacto analisada. O uso e produção de fertilizantes e corretivos são os itens que mais ocasionam os impactos ambientais, seguidos de uso de óleo diesel. Em termos socioeconômicos, a colheita integral apresenta maior valor de produção e PIB; já os cenários com fardos apresentam maior remuneração mensal média por emprego e número de empregos gerados em função do maior número de operações mecanizadas demandando mais mão de obra. O resultado principal do estudo mostra que os cenários com ETC apresentam maior eficiência econômica e a proposta de recolhimento através de colheita integral com palha sem ponteiro e repicada apresentou maior atratividade econômica com menores impactos ambientais. Esta pesquisa demonstra a importância de desenvolvimento de tecnologias que permitam melhor aproveitamento da biomassa / Abstract: Harvesting of green sugarcane, without burning, has been imposed mainly by environmental issues and aiming to take full advantage of sugarcane. Economic, environmental and social issues induce mechanical harvesting, which can provide better working conditions and the use of straw, with the elimination of the previous burning. Part of the straw can be used for soil coverage, enhancing the recycling of nutrients, water retention and reducing erosion. Another part of the straw can be collected, sent to the industry and used for bioelectricity generation or production of 2nd generation ethanol. This paper, with the support of Virtual Sugarcane Biorefinery (VSB), applied input-output and life cycle analysis methodologies to analyze the socioeconomic and environmental impacts of collection and utilization of straw sugarcane, considering (i) harvesting of sugarcane existing (conventional harvester) and developing (ETC - Controlled Traffic Structure ¿ proposed mechanization of reduction and traffic control) technologies, (ii) fraction of gathered straw, (iii) form of collection and transportation and (iv) use of straw. It was also evaluated economic viability of each technological route considered. It was found that the integral harvest system is economically advantageous in the agricultural phase, and that the load density reduction is almost matched with lower loss of stalks due to the reduced power of the harvesters¿ exhauster. The baling system shows higher costs of small fractions straw recovery due to reduction of the machines operational capacity. The verticalized production model analysis (agricultural and industry fases) showed that the low efficiency of dry cleaning station directly interferes with the industry output, reducing the advantage of the integral harvest system. The proposal to collect straw through integral harvest with chopping presented good results in simulations, reducing the cost of transport of straw and improving industrial productivity with better separation of straw. Considering the verticalized production model, 7,5 ton/ha baling (with conventional harvester) and integral harvest system chopped without tops (ETC) present higher values of IRR, 12,0% and 14,2%, respectively. Regarding environmental impacts, it was found that agricultural phase represents 80% ¿ 90% of the environmental impacts, varying according to the analyzed scene and the impact category. The use and production of fertilizers and soil correctors are the items that cause the most environmental impacts followed by the use of diesel. In socioeconomic terms the integral harvest system presents higher production value and GDP (Gross Domestic Product); the baling scenes present higher average monthly income per job and number of generated jobs due to higher number of mechanized operations requiring more manpower. The main result of this study shows that ETC scenes present higher economic efficiency and the recovery proposal of integral harvest system chopped without tops presented higher economic prospects with lower environmental impacts. This paper shows the importance of technology development which permits better use of biomass / Doutorado / Maquinas Agricolas / Doutora em Engenharia Agrícola

Orientador: Rubens Maciel Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T01:55:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Andrade_LilianePires_M.pdf: 2414568 bytes, checksum: edd69b0480cfd867aa41722490fde9b1 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: No cenário mundial atual, a procura por combustíveis e outros químicos desenvolvidos a partir de tecnologias sustentáveis tem se tornado uma demanda crescente. Neste contexto, diversas biomassas são investigadas ao redor do mundo, como matérias-primas para a produção de etanol de segunda geração que é considerado um biocombustível com grande potencial para substituir gradativamente os combustíveis fósseis. Estudos direcionados à produção de etanol celulósico demonstram que alterações simultâneas em importantes parâmetros, como tempo de pré-tratamento e teor de sólidos na hidrólise enzimática, influenciam diretamente no rendimento final do processo. O presente trabalho teve por objetivo estudar a influência da matéria-prima, por meio da coleta do bagaço de cana de açúcar em diferentes períodos da safra, no processo de produção de etanol. Para isso, foram avaliadas as etapas de pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação com ênfase na otimização da hidrólise enzimática. A execução foi dividida em três etapas. Na primeira, o bagaço de cana foi submetido a diferentes tempos de pré-tratamento (severidades na faixa de 4,01 a 4,10) por explosão a vapor em escala piloto. Em seguida, a biomassa pré-tratada resultante foi hidrolisada enzimaticamente, utilizando teores de sólidos, nesta etapa, de 8% e 12%, 0,5% de surfactante (p/p-TS), baixa carga da enzima Cellic Ctec2 (5FPU/g-celulose), temperatura de 50ºC e tempo de 48h. A fermentabilidade dos caldos obtidos foi testada, usando-se a levedura Saccharomyces cerevisiae. A condição de pré-tratamento com severidade de 4,01 foi a que apresentou melhores resultados em todas as etapas e a escolhida para a continuidade deste trabalho. Na segunda etapa do trabalho, as variáveis teor de sólidos, carga enzimática e teor de surfactante da hidrólise enzimática foram investigadas através de um delineamento composto central rotacional (DCCR) para identificar as regiões ótimas de processo através das superfícies de resposta. Novamente a fermentabilidade dos caldos obtidos foi testada, usando-se a levedura Saccharomyces cerevisiae e suplementando o meio com melaço. Por meio da validação do modelo estatístico determinou-se a condição otimizada para realizar a hidrólise enzimática, 12% de teor de sólidos e 6 FPU/g-celulose de Cellic Ctec2. Na terceira etapa a variabilidade da matéria prima foi avaliada utilizando o pré-tratamento determinado na primeira etapa e a hidrólise otimizada na segunda. Foi possível concluir que as variações na composição do bagaço "in natura" não interferem no resultado final, que é a composição do caldo hidrolisado obtido, demonstrando que este é um processo com caraterísticas robustas, ou seja, que o resultado final não é influenciado pelas flutuações nas características da matéria-prima utilizada / Abstract: In the current global scenario, the demand for fuels and other chemicals developed from sustainable technologies has become an increasing demand. In this context, various biomasses are investigated around the world, as raw materials for the production of second generation ethanol, a biofuel that is regarded with great potential to gradually replace fossil fuels. Studies directed to produce cellulosic ethanol demonstrate that simultaneous changes in key parameters such as time of pre-treatment and solids content in the enzymatic hydrolysis directly influence the final yield of the process. The present work aims to study the influence of the raw material, through the gathering of sugarcane bagasse in different harvest periods in the ethanol production process. To that, the steps of pre-treatment, enzymatic hydrolysis and fermentation with emphasis on optimizing enzymatic hydrolysis were evaluated. This study was divided into three steps. In the first sugarcane bagasse was pretreated by steam explosion in pilot scale with different times of pretreatment (severities in the range of 4.01 to 4.10). Then, the resulting pretreated biomass was hydrolyzed enzymatically, using solids content of 8% and 12%, and 0.5% of surfactant (w / w, TS), low enzyme load Cellic Ctec2 (5FPU / g -cellulose), temperature of 50 ° C and time of 48 hours. The fermentability of the hydrolysates obtained was tested, using the Saccharomyces cerevisiae yeast. The condition of pretreatment severity of 4.01 showed the best results at throughout the process and it was chosen to continue this work. In the second step, enzymatic hydrolysis, the variables, solids content, enzyme loading and surfactant content were investigated using a central composite rotational design (CCRD) to identify the optimal process regions through response surfaces. Again fermentability of the hydrolysates obtained were tested using the Saccharomyces cerevisiae yeast and the medium was supplemented with molasses. By the statistical validation of the model, the optimized condition for enzymatic hydrolysis was determined, this is 12% solids and 6 FPU / g cellulose Cellic Ctec2. In the third step the raw material variability was evaluated by pretreatment determined in the first step and the optimized hydrolysis determined in the second step. It was concluded that variations in the composition of the sugarcane bagasse does not interfere in the final result, that is the composition of the hydrolyzate obtained, demonstrating that this is a robust process, ie, the result is not influenced by the variations in the characteristics of the used feedstock / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestra em Engenharia Química

Orientador: Paulo Mazzafera / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-22T18:25:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bottcher_Alexandra_D.pdf: 30998147 bytes, checksum: 7d9f9859e04ecf96cad92e49ea9b403f (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A lignina é um heteropolímero aromático, cuja formação é mediada por oxidases da parede celular que convertem os monolignóis (os álcoois p-coumaril, coniferil e sinapil) em radicais livres, que espontaneamente se polimerizam para formar a lignina. Essa reação produz um heteropolímero opticamente inativo e hidrofóbico, composto pelas unidades p-hidroxifenil (H), guaiacil (G) e siringil (S), respectivamente. O nitrogênio (N) é um componente essencial, constituinte de importantes moléculas, e os efeitos da suplementação com N na lignificação têm sido melhor documentados em gramíneas forrageiras, e na maioria dos casos, há um aumento no conteúdo de lignina com a fertilização com N, o que é atribuído a um estimulo na síntese do aminoácido Phe. Entretanto, dependendo da espécie, altas concentrações de N também podem promover queda no conteúdo de lignina. A luz é outro fator ambiental essencial para a sobrevivência das plantas, entretanto, dependendo da intensidade e tempo de exposição, ela também pode causar estresse oxidativo, resultando em inativação das funções fotossintéticas e produção de espécies reativas de oxigênio (EROs). Evidências indicam que a alta incidência luminosa ativa a expressão dos genes da via de biossíntese de lignina, promovendo lignificação e enrijecimento de parede. Sendo assim, esse dois fatores podem interferir na taxa de crescimento e deposição de biomassa. Os objetivos desse estudo foram analisar sistematicamente a deposição de lignina durante o desenvolvimento do colmo em duas variedades de cana-de-açúcar crescidas no campo, IACSP04-529 e IACSP04-683, com alto e baixo conteúdo de lignina, respectivamente, assim como a interferência da fertilização com N e baixa luminosidade em outras duas variedades de cana-de-açúcar, IACSP04-627 e IACSP04-065, também com alto e baixo teor de lignina, respectivamente. O conteúdo de lignina aumentou com o amadurecimento do colmo e sua distribuição foi diferente entre a casca (região externa) e o miolo (região interna), e os tratamentos afetaram diferentemente seu acúmulo. Nas plantas do campo, as diferentes regiões anatômicas também mostraram diferenças na composição da lignina (razão S/G) e nas análises histoquímicas, no colmo em desenvolvimento. O banco de EST da cana-de-açúcar foi extensivamente analisado e foram recuperados 4 ortólogos da enzima PAL, 2 C4Hs, 3 4CLs, 2 HCTs, 3 C3Hs, 3 CCoAOMTs, 2 CCRs, 1 COMT, 1 F5H, e 4 CADs, e o padrão de expressão de todos os genes foi obtido por qPCR no material de campo; e os genes que apresentaram os maiores níveis de expressão foram analisados no material submetido aos tratamentos. O perfil dos compostos fenólicos foi realizado com o material proveniente do campo e 35 compostos relacionados com a via dos fenilpropanóides e biossíntese de lignina foram identificados; para as plantas submetidas aos tratamentos foi obtido o perfil dos metabólitos primários e 49 compostos foram identificados. Resumidamente, as informações obtidas com as plantas submetidas aos tratamentos com N e redução da intensidade luminosa, somadas aos dados fisiológicos, bioquímicos, histológicos e transcricionais podem contribuir com importantes informações sobre o metabolismo da lignina em cana-de-açúcar, que podem ser úteis, em longo prazo, para o melhoramento da cana-de-açúcar como matéria-prima para produção de bioenergia / Abstract: Lignins are complex aromatic heteropolymers, covalently cross-linked with cell wall polysaccharides and deposited mainly in fibers, xylem vessels, tracheids, and sclereids. Lignin is produced by cell wall oxidases which convert the monolignols (p-coumaryl, coniferyl, and sinapyl alcohols) in free radicals that spontaneously couple to form lignin. The reaction results in a heteropolymer optically inactive and hydrophobic, composed by the monomers referred to as p-hydroxyphenyl (H), guaiacyl (G), and syringyl (S) units, respectively. Nitrogen (N) is an essential component of many key macromolecules and the impact of increased N supply on lignification has been mainly documented in forage grasses and in most cases, the lignin content is increased by N fertilization, which is attributed to the stimulation of phenylalanine (Phe) biosynthesis. However, depending on the plant species, high N supply may also promote decrease in lignin content. Light is other essential factor for plants survival, but depending on the light intensity and the time of exposure, it can also cause oxidative stress. The exposition of plants to high light intensity may result in the inactivation of photosynthetic functions and the production of reactive oxygen species (ROS). Some evidence suggests that high light irradiation stimulates the expression of many genes involved in lignin synthesis, promoting lignification and cell wall stiffening. Thus, both factors may interfere in sugarcane growth rates and biomass accumulation. The aims of the present study were to perform a systematic analysis of lignin deposition during stem development in two sugarcane cultivars grown in the field, IACSP04-529 and IACSP04-683, with high and low lignin content respectively, and to analyze the influence of N fertilization and the reduction of light intensity in two other sugarcane cultivars grown in greenhouse, IACSP04-627 and IACSP04-065, with high and low lignin content respectively. Lignin content increased with maturity and its distribution was differential between rind (outer) and pith (inner) tissues, and the treatments affected its accumulation. For the field plants, these distinct anatomical regions also differed in lignin composition (S/G ratio) and histochemical analysis during sugarcane stem development. Sugarcane EST Database was extensively surveyed and 4 PALs, 2 C4Hs, 3 4CLs, 2 HCTs, 3 C3Hs, 3 CCoAOMTs, 2 CCRs, 1 COMT, 1 F5H, and 4 CADs were identified and the expression pattern of all genes during the stem development was determined by qPCR in field plants; the most expressed genes were also analysed in plants under experimental treatments. The phenolic profiling was analyzed in field plants, and allowed the identification of 35 compounds related to phenylpropanoid pathway and lignin biosynthesis; the primary metabolic profiling was analyzed in greenhouse plants and 49 compounds were identified. To sum up, the information obtained with the plants under different N levels and light reduction treatments, integrated with the physiological, biochemical, histological, and transcriptional data may contribute to unveil significant information regarding the lignin metabolism in sugarcane and might be useful in the long term for the breeding of sugarcane feedstock for bioenergy purposes / Doutorado / Biologia Vegetal / Doutora em Biologia Vegetal

Orientadores: Joaquim Eugênio Abel Seabra, Ester van der Voet / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T13:50:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_CinthiaRubioUrbanoda_D.pdf: 4119724 bytes, checksum: 9e376a7eb523184696bec1d76fb133ec (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O interesse na redução das emissões de gases de efeito estufa e a busca por segurança energética têm promovido o aumento da produção de biocombustíveis e investimentos em tecnologias de produção avançada. Partindo-se da hipótese de que estas tecnologias trariam benefícios para o perfil ambiental dos bicombustíveis, o objetivo deste trabalho foi avaliar, sob o ponto de vida ambiental, cenários prospectivos de produção de etanol no Brasil levando em conta a introdução das melhorias tecnológicas propostas para o setor sucro-energético (e.g., plantio direto e produção do etanol de segunda geração). Adicionalmente, uma comparação prospectiva do etanol de segunda geração produzido a partir de diferentes biomassas foi realizada para avaliar a competitividade do etanol produzido a partir dos resíduos da cana-de-açúcar. A técnica de avaliação do ciclo de vida (ACV) foi adotada, utilizando o método CML para a avaliação de impacto do ciclo de vida (AICV) e o método Monte Carlo para a análise de incertezas. As seguintes categorias de impacto ambiental foram consideradas: depleção de recursos abióticos (consumo de combustível fóssil), aquecimento global, toxicidade humana, ecotoxicidade (terrestre e aquática), oxidação fotoquímica, acidificação e eutrofização. Emissões associadas aos impactos diretos e indiretos da mudança do uso do solo não estão no escopo deste trabalho. Os resultados indicam que as melhorias propostas conferem benefícios ambientais ao etanol de cana no cenário prospectivo frente ao etanol de produção convencional. A prática de plantio direto da cana-de-açúcar contribuiria para a redução dos impactos ambientais ao longo do ciclo de vida do etanol. Considerando todas as melhorias, o uso do etanol de primeira geração traria benefício ambiental maior do que o de produção conjunta (primeira e segunda geração), com exceção das categorias de acidificação e eutrofização. Quando comparado à gasolina, o etanol tem menor impacto em depleção abiótica e aquecimento global, mas não nas outras categorias de impacto. A comparação com o etanol de outras biomassas indica que o etanol derivado da palha da cana tem menor impacto ambiental em todas as categorias de impacto analisadas. A partir desses resultados, conclui-se que a evolução tecnológica projetada para a produção de cana-de-açúcar conduziria à melhoria do perfil ambiental do etanol. A produção de etanol de segunda geração, no entanto, não apresentaria vantagem ambiental frente ao etanol de primeira geração (considerando xii os parâmetros utilizados). Mas esta conclusão é sensível principalmente ao nível da coprodução de eletricidade excedente e ao respectivo combustível deslocado / Abstract: The interest in greenhouse gas emission mitigation and enhancement of energy security has fostered the production of biofuels and investments in technologies for the production of advantaged biofuels. Assuming that such technologies could improve the environmental performance of biofuels, the goal of this work was to analyze, from an environmental perspective, the ethanol production in Brazil in prospective scenarios. Additionally, a prospective environmental comparison of the ethanol produced from sugarcane residues and from other feedstocks was also performed. The life cycle assessment (LCA) technique was employed using the CML method for the life cycle impact assessment (LCIA) and the Monte Carlo method for the uncertainty analysis. Abiotic depletion (fossil fuels), global warming, human toxicity, ecotoxicity (terrestrial and fresh water), photochemical oxidation, acidification and eutrophication were the environmental impacts categories analyzed. Results indicated that proposed improvements would lead to environmental benefits in the prospective scenarios compared to the current ethanol production. No tillage practice for sugarcane production has potential to contribute for the mitigation of environmental impacts. The projected first generation ethanol would lead to greater environmental benefits than the combined first and second generation ethanol, except for the impacts related to acidification and eutrophication. Compared to gasoline life cycle, sugarcane ethanol has less impact regarding abiotic depletion and global warming. The comparison among different feedstocks showed that ethanol from sugarcane bagasse would lead to less environment impacts. The results suggest that the projected technological evolution for sugarcane production can contribute for improving ethanol environmental performance. Second generation ethanol, on the other hand, would not lead to greater environmental benefits when compared to the projected first generation ethanol. This conclusion, however, is sensitive to the coproduction of electricity and the respective displaced fuel / Doutorado / Planejamento de Sistemas Energeticos / Doutora em Planejamento de Sistemas Energéticos

Orientadores: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira, Juan Lucas Argueso / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-24T01:08:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigues_Aline_D.pdf: 13944014 bytes, checksum: afa01e0dfca6ca3f789845a68d9a1018 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A floculação é um processo de agregação celular observado em muitas linhagens de Saccharomyces cerevisiae que resulta em sedimentação, prejudicando o rendimento fermentativo e a operação de destilarias produtoras de bioetanol. A maioria das linhagens utilizadas por essa indústria, incluindo a linhagem PE-2/JAY270, foi selecionada pela incapacidade de flocular. O controle genético da floculação é bem caracterizado, vários genes foram associados ao fenômeno, incluindo principalmente a família de genes FLO. Previamente observamos que a linhagem JAY291 (haploide derivado de JAY270) não flocula, apesar de possuir o alelo funcional do regulador positivo de floculação FLO8, sugerindo que seu fenótipo envolve outro passo dessa via. A análise da progênie F2 do cruzamento de JAY291 com a linhagem de laboratório S288 (flo8-1) revelou uma proporção fenotípica de ~1:8 (floculantes/não floculantes), esperada para uma característica controlada por três genes não ligados. Sequenciamos os genomas de oito indivíduos F2 floculantes segregando ~40.000 SNPs existentes entre S288c e JAY291. As sequências foram comparadas entre si para localizarmos regiões que co-segregavam com a floculação. Esse mapeamento preliminar foi refinado por PCR-RFLP, revelando um segundo gene, FLO1, que está ausente em JAY291. Para identificar o terceiro gene, analisamos fenotipicamente novos haploides F2 segregantes de um cruzamento entre S288c (FLO8::KanMX4 FLO1::HphMX4) e JAY291 (FLO8 flo1?), dentre os quais os indivíduos FLO1:HphMX4 foram divididos em dois "bulks" (floculante e não floculante) e sequenciados. As frequências alélicas S288c ou JAY291 nos "bulks" foram interrogadas e validadas estatisticamente, revelando um terceiro gene fortemente associado ao fenótipo: MSS11 (fator de transcrição envolvido em floculação). Encontramos ainda outros doze loci contendo genes de efeito menor, mas que atuam como modificadores do fenótipo. Em experimentos independentes, observamos alteração na morfologia de colônia de JAY270 e troca de seu típico fenótipo liso para rugoso, também associado com um grau baixo de floculação. Tais colônias rugosas também são frequentemente encontradas na indústria. Curiosamente, o mesmo fenótipo foi observado cruzando-se haploides específicos derivados de JAY270. Os cruzamentos sugeriram que o fenótipo era controlado um único gene, porém específico de diploides. O mapeamento em genomas de haploides de JAY270 revelou o gene responsável pela alteração de fenótipo: ACE2, envolvido com separação celular. JAY270 é heterozigota para uma mutação frameshift em ACE2 (ACE2/ace2-7A). O fenótipo rugoso ocorre por recombinação mitótica associada com viii perda de heterozigosidade (LOH), produzindo células com duas cópias mutadas desse gene. Para evitar futuros problemas industriais causados pela sedimentação de linhagens rugosas resultantes de LOH na região de ACE2, o defeito detectado ace2-7A foi reparado no genoma da JAY270. O diploide FGY050 (ura3?/ura3?), derivado de JAY270 e auxotrófico para uracila, foi utilizado como plataforma. A linhagem desenvolvida passou a ter duas cópias do alelo selvagem de ACE2 (ACE2/ACE2) e portanto é incapaz de se tornar rugosa por recombinação. Finalmente, em um estudo não relacionado com floculação ou morfologia de colônia, testamos se LOH pode estar relacionada com alguma consequência fenotípica benéfica à JAY270. Dentre onze linhagens LOH testadas em ensaios fermentativos de competição direta com o parental, encontramos uma com ganho de competitividade durante a fermentação / Abstract: Flocculation is a process of cellular aggregation observed in several Saccharomyces cerevisiae strains which results in sedimentation, impairing the fermentation yield and the operation of Brazilian bioethanol distilleries. Most strains used in this industry, including the PE-2/JAY270 strain, were selected for their inability to flocculate. The genetic control of flocculation is well characterized and several genes were associated with this phenomenon, including the FLO family of genes. We previously observed that the JAY291 strain (derivative haploid of JAY270) does not flocculate, despite having the functional allele of the positive regulator of flocculation FLO8, suggesting that its phenotype involves another step of this pathway. Analysis of the F2 progeny from crossing JAY291 with the laboratory strain S288c (flo8-1) revealed the phenotypic ratio of ~1:8 (flocculent/non-flocculent), expected for a trait controlled by three unlinked genes. We sequenced the genomes of eight flocculent F2 individuals segregating ~40.000 SNPs that exist between S288c and JAY291. The sequences were compared to each other to localize regions that co-segregated with the flocculation. This preliminary mapping was refined by PCR-RFLP, revealing a second gene, FLO1, which is absent in JAY291. To identify the third gene, we phenotypically analyzed new F2 haploids segregating from a cross between S288c (FLO8::KanMX4 FLO1::HphMX4) and JAY291 (FLO8 flo1?), among which FLO1:HphMX4 individuals were separated into two bulks (flocculent and non-flocculent) and sequenced. Allele frequencies S288c or JAY291 in bulks were interrogated and statistically validated, revealing a third gene strongly associated with the phenotype: MSS11 (transcription factor involved in flocculation). We also found twelve other loci containing minor effect genes, but acting as modifiers of the phenotype. In independent experiments, we observed alterations in the colony morphology of JAY270 and a transition from its typical rough to smooth phenotype, also associated with a low degree of flocculation. This type of colony is often found in the industry. Interestingly the same phenotype was observed crossing specific haploids derivatives of JAY270. The crosses suggested that the phenotype was controlled by a single gene, but diploid specific. Mapping genomes of haploids of JAY270 revealed the gene responsible for the altered phenotype: ACE2, involved in cell separation. The JAY270 is heterozygous to a frameshift mutation in the ACE2 (ACE2/ace2-7A). The rough phenotype occurs by mitotic recombination associated with loss-of-heterozygosity (LOH), producing cells with two mutated copies of this gene. x To avoid future industrial problems caused by sedimentation of rough strains derived from LOH in the ACE2 region, the ace2-7A defect was repaired in the JAY270 genome. The diploid FGY050 (ura3?/ura3?), derived from JAY270 and auxotrophic to uracil was used as a platform. The developed strain has two copies of the ACE2 wild-type allele (ACE2/ACE2) and is therefore unable to become roughened by recombination. Finally, in a study unrelated to flocculation or colony morphology, we tested whether LOH may be associated with some phenotypic consequence beneficial to the JAY270. Out of eleven LOH strains tested in fermentative assays of direct competition against their parental strain, we found one with gain in competitiveness during fermentation / Doutorado / Genetica de Microorganismos / Doutora em Genética e Biologia Molecular

Orientadores: Aline Carvalho da Costa, Rubens Maciel Filho, Francisco Maugeri Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T22:59:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Andrade_RafaelRamosde_D.pdf: 13239438 bytes, checksum: 3878b0150588cf72948be14b3f7dec47 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O objetivo deste trabalho é modelar um processo de produção de etanol a partir da fermentação de hidrolisado enzimático de bagaço concentrado com melaço de cana-de-açúcar. Para este propósito, foram realizadas 23 fermentações em batelada com e sem reciclo de células em várias temperaturas: 30, 32, 34, 36 e 38 °C. O reciclo visa avaliar a influência da exposição da levedura S. cerevisiae ao hidrolisado contendo inibidores (especialmente ácido acético) por longos períodos de tempo, e com altas concentrações celulares. Para cada temperatura a primeira fermentação foi realizada com inóculo fresco e realizaram-se no mínimo 4 reciclos. Inicialmente avaliou-se um modelo desenvolvido em trabalho anterior (ANDRADE, 2007) para fermentação de melaço de cana. Este modelo não foi capaz de descrever novas fermentações na presença de alterações da matéria-prima, nem mesmo quando o substrato era melaço de uma safra diferente. Devido ao grande número de parâmetros (11) no modelo, desenvolveu-se uma metodologia de re-estimação, na qual os parâmetros mais sensíveis eram reajustados, e os menos sensíveis mantidos fixos, tornando a re-estimação mais simples. Para isso fez-se uma análise de sensibilidade paramétrica através de planejamentos de Plackett-Burman usando o software STATISTICA, variando os parâmetros cinéticos e calculando seus efeitos nos perfis de concentração de células, substrato e etanol. Os parâmetros mais relevantes nos perfis foram ?máx, Pmáx, Yx e Yp/x, os quais foram escolhidos para serem reajustados quando se alterava o substrato. Com o reajuste desses 4 parâmetros, foi possível descrever os dados experimentais da fermentação de melaço de nova safra com precisão. O mesmo algoritmo de re-estimação foi utilizado para ajuste dos parâmetros do modelo de fermentações de caldo hidrolisado concentrado com melaço. Além dos 4 parâmetros definidos como mais importantes (?máx, Pmáx, Yx ,Yp/x), re-estimou-se também o parâmetro Xmáx, já que no desenvolvimento do modelo original não foi considerado reciclo de células, havendo baixa concentração de biomassa. Acrescentou-se, ainda, ao modelo original, um termo para levar em conta a inibição por ácido acético, logo estimaram-se também os parâmetros relacionados. Após re-estimação dos parâmetros usando um algoritmo de otimização quasi-Newton desenvolvido em COMPAQ VISUAL FORTRAN, realizou-se nova análise de sensibilidade para verificar se os parâmetros mais sensíveis continuavam sendo os mesmos. Neste caso, o ?máx deixou de ser xviii relevante se a análise fosse feita no tempo final de fermentação, porém realizando análise de sensibilidade em diferentes tempos, mostra-se que ?máx tem efeito nos perfis do modelo no início da fermentação. Foi possível desenvolver um modelo preciso que descreveu as fermentações em batelada com e sem reciclo de células em função da temperatura mantendo 11 dos 13 parâmetros (ajustados a partir de dados de fermentação de hidrolisado concentrado com melaço) fixos. Apenas os parâmetros Yx e Yp/x tiveram valores diferentes para as fermentações com reciclo / Abstract: The objective of this paper is to model a process of ethanol production from sugarcane bagasse hydrolysate concentrated with molasses. For this purpose, experimental data were obtained from 23 batch fermentations with and without cells recycle in different temperatures: 30, 32, 34, 36 e 38 °C. The recycle aims to evaluate the influence of exposing the yeast S. cerevisiae to the hydrolysate inhibitors (specifically acetic acid) for long time periods, and under high cell concentrations. For each temperature the first fermentation was performed with fresh inoculum and at least 4 recycles were carried out. Initially a model developed in a previous work (ANDRADE, 2007) for sugarcane molasses fermentation was evaluated. This model was not able to describe new fermentations in the presence of changes of raw material, not even when the substrate was molasses from a different harvest. Due to the large number of parameters (11) in the model, a re-estimation methodology was proposed, in which the most sensitive parameters were adjusted and the less sensitive were kept fixed, making the re-estimation easier. A parametric sensitivity analysis through Plackett-Burman designs was performed, using the software STATISTICA, by varying the kinetic parameters and calculating their influence on the profiles of cell, substrate and ethanol concentrations. The most relevant parameters in the profiles were ?max, Pmax, Yx and Yp/x, which were chosen to be re-estimated when there was change in the substrate. With the re-estimation of these four parameters, it was possible to describe the experimental data from fermentation of molasses from a new harvest accurately. The same re-estimation algorithm was used to adjust the parameters of the fermentation of hydrolysate concentrated with sugarcane molasses. In addition to the 4 parameters defined as most important (?max, Pmax, Yx, Yp/x), Xmax was also re-estimated, since the development of the original model did not consider recycling of cells, which resulted in a low biomass concentration. A term to account for the inhibition by acetic acid was added to the original model, so the related parameters were also estimated. After the parameters re-estimation using a quasi-Newton optimization algorithm developed in COMPAQ VISUAL FORTRAN, a new sensitivity analysis was carried out to verify if the most sensitive parameters remained the same. In this case, ?max had no influence if xx the analysis was performed at the end of the fermentation, but by performing the sensitivity analysis at different times, ?max was shown to influence the model profiles at the beginning of fermentation. It was possible to develop an accurate model that described the batch fermentations with and without cells recycle as a function of temperature keeping 11 of the 13 parameters (adjusted from data of fermentation of hydrolyzate concentrated with molasses) fixed. Only the parameters Yx and Yp/x had different values for the fermentation with recycle / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Francisco Maugeri Filho, Gonçalo Amarante Guimarães Pereira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-20T20:25:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Goldbeck_Rosana_D.pdf: 2685408 bytes, checksum: 40606034d66dbd81493dcd1bbec17eaa (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O etanol vem novamente despertando de modo crescente a atenção de pesquisadores, empresas e governo, devido ao aumento do preço do petróleo e perspectivas de esgotamento das fontes não-renováveis de combustíveis fósseis, bem como, preocupações de natureza ambiental, relacionadas à emissão de substâncias que comprometem o meio ambiente. O estabelecimento de metas extremamente ambiciosas para aumento do consumo do etanol nos próximos anos requer um aumento substancial da produção de etanol e, nesse sentido, estimula a pesquisa e o desenvolvimento de tecnologias que permitem o uso de novas matérias-primas na produção de etanol, como a biomassa lignocelulósica. No entanto a ampliação desta tecnologia é limitante devido ao alto custo das enzimas, indicando desta forma a importância da busca por novas fontes de enzimas capazes de contribuir para este processo. Em face disto, este trabalho teve como objetivo estudar as propriedades lignocelulolíticas de micro-organismos silvestres isolados de diversas regiões brasileiras, bem como realizar um estudo genético visando à produção de bioetanol. Inicialmente foi realizada uma seleção das cepas que apresentaram capacidade de produção de celulases, a partir de micro-organismos silvestres isolados de diversas regiões do país. Após a seleção, a cepa nomeada AAJ6 foi selecionada como potencial produtor de celulases e identificada molecularmente como Acremonium strictum. Posteriormente, foram realizados estudos de recuperação, purificação e caracterização enzimática das enzimas produzidas pelo microorganismo em estudo. A precipitação com acetona 60% foi o método que resultou em melhores porcentagens de recuperação, registrando 80,67% de recuperação para as endoglucanases (CMCase), 65% para a atividade de papel de filtro (FPase) e 25% para celobiase. Em relação à purificação, a resina Q-Sepharose foi selecionada como mais eficiente para a purificação das enzimas do complexo celulase produzidas por Acremonium strictum. Quanto à caracterização enzimática, as faixas de temperatura e pH estudadas não tiveram diferença significativa (p<0,05) em relação à atividade de endoglucanase (CMCase). Já para a atividade de FPase e celobiase, a faixa temperatura ótima foi de 54 a 57 °C e o pH ótimo foi de 4,7. Para a b-glicosidase, apenas a temperatura foi significativa, favorecendo temperaturas mais elevadas (54 a 57 °C) para a atividade enzimática. Paralelamente conduziram-se fermentações para produção de celulases empregando diferentes substratos, tanto substratos comerciais (carboximetilcelulose, SERVACEL® e AVICEL®) como bagaços de cana-de-açúcar pré¿tratados com diferentes intensidades. O bagaço de cana submetido a um pré-tratamento leve (12 kgf/cm²; 188,5°C) foi o que melhor induziu o micro-organismo em estudo a produzir as maiores atividades celulolíticas em comparação aos demais substratos estudados, registrando valores máximos de CMCase de 134,42 U/L em 240 horas de fermentação, 10,82 U/L de FPase em 192 horas, 27,72 U/L de celobiase em 96 horas e 3,48 U/L de b-glicosidase em 240 horas. Com o avanço da biotecnologia e da biologia molecular, a identificação de genes presentes num determinado micro-organismo já se tornou essencial. Em face disto, foi realizado o sequenciamento 454 do genoma do Acremonium strictum e dois genes de celulases foram identificados, sendo um gene de endoglucanase da família 74a e um gene de b-glicosidase. Estas enzimas foram isoladas, sequenciadas e clonadas em E.coli através do vetor pGEM-T Easy de forma que futuros trabalhos possam abordar os produtos de expressão destas enzimas em Saccharomyces cerevisiae visando à produção de bioetanol de segunda geração / Abstract: Ethanol has increasingly attracted the attention of researchers, companies and governments due to the increase in oil prices and prospects of depletion of nonrenewable fossil fuels, as well as environmental concerns related to emissions of substances that compromise the environment. Excessively ambitious goals for the increased consumption of ethanol in the for the years ahead requires a substantial increase in ethanol production and, accordingly, encourages research and development of technologies that allow the use of new raw materials for ethanol production, such as lignocellulosic biomass. However the expansion of this technology is limited due to the high cost of enzymes, thus indicating the importance of searching for new sources of enzymes able to contribute to this process. In the face of this, the present work intended to study the lignocellulolytic properties of wild microorganisms isolated from various regions of Brazil as well as conducting a genetic study aimed at producing bioethanol. Initially a selection of strains that were capable of producing cellulases was carried out. Than, the the selected strain, named AAJ6 and molecularly identified as Acremonium strictum, was shown to be a potential producer of cellulases. Subsequently, studies were performed for recovery, purification and characterization of the enzymes produced by this microorganism. Precipitation with 60% acetone was the method that led to improved recovery percentages, about 80%, for the endoglucanases (CMCase), 65% for filter paper activity (FPase) and 25% for cellobiase. With regard to purification, choromatographic column with Q-Sepharose resin was selected as the most efficient for the purification of the cellulase enzyme complex produced by Acremonium strictum. As enzymatic characterization, the temperature and pH ranges studied did not differ significantly (p<0.05) compared to the activity of endoglucanase (CMCase). As for the cellobiase and FPase activity, the optimum temperature range was 54 to 57 °C and optimum pH was 4.7. For the b-glucosidase, only temperature was significant, favoring higher temperatures (54 to 57 °C) for enzyme activity. Parallel fermentations were conducted for cellulase production using different cellulosic substrates (carboxymethylcellulose, SERVACEL® and AVICEL ®) and sugarcane bagasse pretreated with different intensities. Bagasse that underwent t mild pretreatment (12 kgf/cm², 188.5 °C) was the best inducer for microorganism under study, and led to the highest cellulolytic activities, being the maximum values 134.42 U/L U/L for CMCase after 240 hours of fermentation, 10.82 U/L for FPase after 192 hours, 27.72 U/L for cellobiase after 96 hours and 3.48 U/L for b-glucosidase after 240 hours. At the current stage of biotechnology and molecular biology, the identification of genes present in a given micro-organism has become essential. In view of this, the 454 sequencing of the genome of Acremonium strictum was carried out and two cellulase genes were identified, being an endoglucanase of the family 74a gene and b-glucosidase gene. These enzymes were isolated, sequenced and cloned into E. coli using the pGEM-T Easy vector so that future work can address the expression products of these enzymes in Saccharomyces cerevisiae in order to produce second generation bioethanol / Doutorado / Engenharia de Alimentos / Doutora em Engenharia de Alimentos

Liquid biofuels are being produced to displace fossil fuels for transportation, with bioethanol and biodiesel being the primary biofuels produced for this purpose in the world today. While there is consensus on the need for a sustainable biofuels industry, there is little consensus on how to proceed to avoid environmental and social degradation with global biofuel production. A literature review of Life Cycle Analysis (LCA) data, and the generic Strategic Life-Cycle Management (SLCM) and Template for Sustainable Product Development (TSPD) approaches, helped to inform the creation of a specific tool for sustainable industrial biofuels development, called the TSPD for biofuels. Other data collection involved expert and industry dialogue, as well as stakeholder feedback, on the content of the TSPD. Results showed a variety of sustainability challenges and opportunities, the most significant of which concerns agricultural production. Compelling measures for a sustainable biofuels industry include: cooperation among all stakeholders using a systems approach based on strategic sustainable development, sustainable biofuels certification; and government policies to stimulate research into new technologies and feedstocks, as well as to reduce consumption and increase efficiency. / <p>skiingkyle@yahoo.ca, csrlevy@terra.com.br, Kate_maddigan@yahoo.com</p>

Les unités de conditionnement des dattes génèrent des quantités importantes de déchets issues des écarts de triage. Cette biomasse, considérée jusqu'alors comme un déchet avec un impact sur l'environnement peut être transformée en produit à haute valeur ajouté. La valorisation des sous-produits de l'industrie des dattes en biocarburant s'inscrit dans une démarche économique et environnementale. Mais les fortes teneurs en sucres dans les sirops de dattes induisent une forte pression osmotique qui limite la capacité fermentaire des micro-organismes tel que Saccharomyces cerevisiae. Ceci nous a conduit à utiliser des souches osmotolérantes comme Zygosaccharomyces rouxii et Candida Pelliculosa. Différents essais ont été menés dans des milieux de culture à base de sirop de dattes, à différentes teneurs en sucres, en milieu discontinue et parfaitement agité. Les essais menés dans un milieu de culture à base de jus de dattes à 17,4 °Brix, conduisent à la production d'éthanol aux concentrations de 63 g L-1, 41 g L-1 et 33 g L-1 respectivement pour les levures Saccharomyces cerevisiae, Candida Pelliculosa et Zygosaccharomyces rouxii. Les essais menés dans le milieu à 35,8 °Brix (milieu de culture se rapprochant le plus des sirops de dattes brutes) montrent que la croissance des levures Saccharomyces cerevisiae et Candida Pelliculosa est inhibée par la pression osmotique élevée causée par la haute concentration en sucres. Seule la levure xérotolérante Zygosaccharomyces rouxii s'est adaptée au milieu en produisant 55 g L-1 de bioéthanol. La souche isolée des sous-produits de des dattes comme étant un Bacillus amyloliquifaciens est une souche allochtone capable de se developper dans un milieu hyper-osmotique et convertir les trois sucres (glucose, fructose et saccharose) en éthanol, contrairement à Z. rouxii qui est une souche fructophile. Le rendement en éthanol de B. amyloliquefaciens pour le milieu M-S175 est de 0,45 g.g-1, bien supérieur à ceux de S. cerevisiae, C. pelliculosa et Z. rouxii qui donnent respectivemnt 0,38, 0,29 et 0,34 g.g-1. En produisant 90 g.L-1 d'éthanol pour le milieu M-S350, B. amyloliquefaciens nous semble prometteuse pour valoriser un substrat très riche en sucres fermentescible. / Conditioning unit's dates generate large amounts of wastage after sorting. This biomass, previously regarded as waste product with a high impact on the environment can be transformed into a highly valued product. The use of by-products of date fruit into biofuel industry is a part of an environmentaly friended economic process. But high levels of sugars in the syrups of dates induce high osmotic pressure which limits the ability of fermentative microorganisms such as Saccharomyces cerevisiae. This led us to use osmotolerant strains, Zygosaccharomyces rouxii and Candida pelliculosa. Various tests were conducted in culture media containing date juice at different levels in sugars, and perfectly stirred in batch conditions. The tests performed in a culture medium based on date juice at 17.4 ° Brix, led to the production of 63 g L-1, 41 g L-1 and 33.1 g L-1 of ethanol for the yeasts Saccharomyces cerevisiae, Candida pelliculosa and Zygosaccharomyces rouxii, respectively. Tests conducted at 35.8 °Brix (culture medium close to syrup raw dates) show that the growth of yeast Saccharomyces cerevisiae and Candida pelliculosa is inhibited by high osmotic pressure caused by the high concentration of sugars. Only the xerotolerante yeast Zygosaccharomyces rouxii is adapted to the environment and produced 55 g L-1 of bioethanol. The strain isolated from by-products of dates, identified as bacillus amyloliquefaciens, is able to develop in a hyper-osmotic environment and convert the three sugars (glucose, fructose and sucrose) into ethanol, unlike Z. rouxii which is a fructophilic strain. The yield of ethanol for the M-S175 is 0.45 g.g-1, higher than those of S. cerevisiae, C. pelliculosa and Z. rouxii which give respectivemnt 0.38, 0.28 and 0.34 g.g-1. By producing 90 g.L-1 of ethanol for M-S350, B. amyloliquefaciens seems promising to valorize a very rish substrate in fermentable sugars.

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Aline Carvalho da Costa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-08T00:17:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CcopaRivera_ElmerAlberto_D.pdf: 3934194 bytes, checksum: 1c6032aefcc3c385ecff9996d19bfe11 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Esta tese aborda aplicações de modelagem, metodologias sistemáticas e confiáveis de otimização, além de ferramentas computacionais. Estas áreas podem capturar características quantitativas essenciais dos bioprocessos e possuem grande impacto nas práticas modernas da melhoria de desempenho dos processos petroquímicos e mecânicos. É evidente que o mesmo deve ocorrer com os bioprocessos, uma área em que ainda poucos estudos e desenvolvimentos foram feitos. Porém, espera-se que os bioprocessos construídos em cima dos métodos que consideram a análise do problema, codificados como uma ferramenta matemática apropriada para o uso das ferramentas da engenharia de processos assistida por computador, convertam resultados numéricos em soluções de engenharia úteis para produzir, finalmente, uma melhor compreensão de tais sistemas. Diferentes tipos de metodologias, apropriadas para aplicações em computador, foram estudadas com esta finalidade. Os métodos propostos foram aplicados ao desenvolvimento e otimização da produção de bioetanol. A parte central desta tese consiste de artigos científicos (Capítulos 3 - 8). O Capítulo 3 concentra-se nas técnicas de otimização para estimar os parâmetros do modelo cinético do processo de fermentação alcoólica em batelada para a produção de etanol usando Saccharomyces cerevisiae. O Algoritmo Quasi-Newton (QN) e o Algoritmo Genético de código real (RGA) foram usados para resolver o problema de estimação e encontrar uma solução ótima. O Capítulo 4 fornece um modelo híbrido adaptativo que considera o efeito da temperatura na cinética da fermentação alcoólica, representada por redes neurais. O potencial de um RGA e de um algoritmo genético de código binário (BGA), para re-estimar os parâmetros da rede neural, foram avaliados. O desempenho destes algoritmos foi comparado com o algoritmo Quasi-Newton (QN). No Capítulo 5 foi avaliado um procedimento para o desenvolvimento de um modelo matemático robusto para um processo de fermentação alcoólica industrial. O modelo proposto é um modelo híbrido neural, que combina equações de balanço de massa e energia com redes do tipo Functional Link Network para descrever a cinética. Estas redes apresentaram uma boa capacidade de aproximação não-linear, embora a estimação dos seus pesos seja linear. O Capítulo 6 propõe uma nova metodologia para estimação de parâmetros cinéticos. A primeira etapa consiste na obtenção de valores iniciais para todos os parâmetros do modelo. Conseqüentemente, um RGA foi usado para a estimação simultânea dos parâmetros. Na terceira etapa, os parâmetros mais significativos foram identificados usando o planejamento Placket-Burman (PB). Finalmente, os parâmetros mais significativos foram otimizados usando o algoritmo QN, que converge para o ótimo muito mais rápido que o RGA. No Capítulo 7 a modelagem de processos biotecnológicos foi estudada com foco no desenvolvimento das metodologias que podem ser usadas sempre que uma reestimação dos parâmetros seja necessária. O desempenho de um modelo híbrido neural e de um modelo fenomenológico, ambos considerando o efeito da temperatura na cinética, foi avaliado não somente em termos de sua exatidão em descrever os dados experimentais, mas principalmente pelas dificuldades envolvidas na adaptação de seus parâmetros. No Capítulo 8, o modelo não-linear de um processo de fermentação alcoólica extrativa, representado por Redes Neurais Multilayer Perceptron foi otimizado, usando RGA e BGA, para encontrar condições ótimas de operação. A fim de verificar a validade do modelo neural, os resultados foram comparados à otimização de um modelo determinístico, onde os parâmetros cinéticos foram determinados experimentalmente como funções da temperatura. Adicionalmente, o Apêndice A apresenta informações suplementares a respeito da verificação do comportamento não-linear das variáveis do processo extrativo de fermentação alcoólica. Com a finalidade de comparar os resultados de otimização deste processo empregando algoritmos genéticos, o Apêndice B apresenta os resultados de otimização usando Programação Quadrática Sucessiva / Abstract: This thesis addresses the issues of modeling, systematic and reliable optimization methodologies, analysis and computational tools. These fields can capture essential quantitative features of the processes and have a great impact on the modern practices of petrochemical and mechanical process performance improvement. It is evident that the same should occur with bioprocesses, a field in which very little studies and developments has been made. However, it is expected that the bioprocesses built upon methods that consider the problem analysis, codified into a mathematical tool appropriate for the use of computer aided process engineering tools, will transform numerical results into useful engineering solution to finally produce a better understanding of the bioprocess. Different types of models, suitable for computer-aided applications, have been studied for this purpose. The proposed methods are applied to the development and optimization of bioethanol production. The main part of the thesis consists of journal papers (Chapters 3 - 8). Chapter 3 focuses on the optimization techniques to estimate the kinetic model parameters of batch fermentation process for ethanol production using Saccharomyces cerevisiae. The potential of Quasi-Newton (QN) and Real-Coded Genetic Algorithm (RGA) to solve the estimation problem is considered to find out the optimal solution. Chapter 4 provides an adaptive hybrid model that considers the effect of temperature on the kinetics of alcoholic fermentation, represented by neural networks. The potential of a RGA and a binary-coded genetic algorithm (BGA) to re-estimate the parameters of the neural network is evaluated. These algorithms were compared to the quasi-newton algorithm (QN) in terms of performance of the hybrid model. In the Chapter 5 a procedure for the development of a robust mathematical model for an industrial alcoholic fermentation process was evaluated. The proposed model is a hybrid neural model, which combines mass and energy balance equations with Functional Link Networks to describe the kinetics. These networks have been shown to have a good non linear approximation capability, although the estimation of its weights is linear. Chapter 6 proposes a new methodology to estimation of kinetic parameters. The first step is to obtain initial values for all parameters in the model and then a RGA is used to calculate the parameters in the model. The third step is to identify the most significant of the parameters using Plackett and Burman design (PB) and finally the most significant are optimized using a QN algorithm, which converges much more quickly than RGA to the optimal. In the Chapter 7 the modeling of biotechnological processes is studied with focus on developing methodologies that can be used always that a re-estimation of parameters is necessary. The performance of a hybrid neural model and a first-principles model, both considering the effect of temperature on the kinetics, are evaluated not only by their accuracy in describing experimental data, but mainly by the difficulties involved in the adaptation of their parameters. In the Chapter 8 the non-linear model of an extractive alcoholic fermentation process, represented by neural networks, is optimized using RGA and BGA to determine the optimal operational conditions. In order to check the validity of the computational modeling, the results were compared to the optimization of a deterministic model, whose parameters were experimentally determined as functions of the temperature. Furthermore, Appendix A provides additional information regarding the verification of the non-linear behavior of the variables of the extractive alcoholic fermentation process. With the purpose to compare the optimization performances of this process by genetic algorithms, Appendix B presents the results of optimization using successive quadratic programming / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química