Energy utilization is a determining factor for the standards of living around the world, and the current primary source of energy is fossil fuels. A potential source of liquid fuels that could ease the strain caused by diminishing petroleum resources is bioethanol. Effective exploitation of biomass materials requires a pretreatment to disrupt the lignin and cellulose matrix. The pretreatment utilized for this research was oxygen delignification, which is a standard process stage in the production of bleached chemical pulp. The model substrate utilized as a feedstock for bioethanol was recovered fibre. An analysis of the substrates digestibility resulted in a hexose yield of approximately 23%, which justified the need for an effective pretreatment. An experimental design was performed to optimize the delignification conditions by performing experiments over a range of temperature, caustic loadings, and reaction times. Equations were developed that outline the dependence of various response parameters on the experimental variables. An empirical model that can predict sugar concentrations from enzymatic hydrolysis based on the Kappa number, enzyme loading, and initial fibre concentration was also developed. A study of hydrolysis feeding regimes for untreated recovered fibre (87 Kappa), pretreated recovered fibre (17 Kappa), and bleached pulp (6 Kappa) showed that the batch feeding regime offers reduced complexity and high sugar yields for lower Kappa substrates. In order to evaluate the possibility of lignin recovery, the pH of delignification liquor was reduced by the addition of CO₂ and H₂SO₄, resulting in up to 25% lignin yield. An experiment that looked at effect of post-delignification fibre washing on downstream hydrolysis found that a washing efficiency of approximately 90% is required in order to achieve a hexose sugar yield of 85%.

<p>To ensure the sustainability of bioethanol production, major attention has been directed to develop feedstocks which provide an alternative to food-crop biomass. Lignocellulosic (LC) biomass, which is chiefly composed of industrial plant residues, is a carbon-rich reservoir that is presently attracting much attention. However LC material is highly recalcitrant to bioprocessing and requires a mixture of physical and enzymatic pretreatment in order to liberate fermentable sugars. Thermostable enzymes are extremely desirable for use in thermophilic fermentations due to their inherent stability. Hemicellulose, a core constituent of LC, requires a cascade of hemicellulases to stimulate the depolymerisation of its xylan backbone. &alpha / -L-arabinofuranosidase (AFase) increases the rate of lignocellulose biodegradation by cleaving arabinofuranosyl residues from xylan thereby increasing the accessibility of other hemicellulases. Twenty thermophilic Actinomycete isolates were screened for AFase activity using pnp-arabinofuranoside as the substrate. Three strains (ORS #1, NDS #4 and WBDS #9) displayed significant AFase activity and were identified as Streptomyces species with 16S rRNA gene sequence analysis. Genomic DNA was isolated from these strains and a cosmid library constructed in the shuttle vector pDF666. Subsequent functional and PCR-based screening revealed no positive clones.</p>

Energy utilization is a determining factor for the standards of living around the world, and the current primary source of energy is fossil fuels. A potential source of liquid fuels that could ease the strain caused by diminishing petroleum resources is bioethanol. Effective exploitation of biomass materials requires a pretreatment to disrupt the lignin and cellulose matrix. The pretreatment utilized for this research was oxygen delignification, which is a standard process stage in the production of bleached chemical pulp. The model substrate utilized as a feedstock for bioethanol was recovered fibre. An analysis of the substrates digestibility resulted in a hexose yield of approximately 23%, which justified the need for an effective pretreatment. An experimental design was performed to optimize the delignification conditions by performing experiments over a range of temperature, caustic loadings, and reaction times. Equations were developed that outline the dependence of various response parameters on the experimental variables. An empirical model that can predict sugar concentrations from enzymatic hydrolysis based on the Kappa number, enzyme loading, and initial fibre concentration was also developed. A study of hydrolysis feeding regimes for untreated recovered fibre (87 Kappa), pretreated recovered fibre (17 Kappa), and bleached pulp (6 Kappa) showed that the batch feeding regime offers reduced complexity and high sugar yields for lower Kappa substrates. In order to evaluate the possibility of lignin recovery, the pH of delignification liquor was reduced by the addition of CO₂ and H₂SO₄, resulting in up to 25% lignin yield. An experiment that looked at effect of post-delignification fibre washing on downstream hydrolysis found that a washing efficiency of approximately 90% is required in order to achieve a hexose sugar yield of 85%.

O esgotamento das fontes de combustíveis fósseis e questões ambientais têm gerado grandes preocupações para a sociedade, e alternativas sustentáveis e eficientes para solucionar e trazer inovações na produção de biocombustíveis estão cada vez mais próximas. O uso de biomassa pode ser uma vantajosa opção, mas para isso, é necessária a degradação das moléculas constituintes de sua parede celular a açúcares fermentáveis. A biotecnologia tem melhorado e aumentado as opções para suprir fontes sustentáveis e preservação do meio ambiente. A transformação de biomassa na escala industrial para produção de bioetanol depende da capacidade de otimizar o processo de hidrólise enzimática da celulose utilizando enzimas de complexo celulolítico, principalmente de fontes bacterianas e fungos filamentosos. Dessa forma, estudamos a principal endoglucanase de Xanthomonas campestris pv. Campestris ATCC33913, que foi inicialmente identificada através de zimogramas e espectrometria de massas que mostrou boa cobertura de sequência e purificada utilizando passos de precipitação com sulfato de amônio seguida do uso de uma coluna de exclusão molecular. Esta enzima teve seus parâmetros cinéticos determinados, mostrando-se ativa para diversos substratos testados e também grande estabilidade para variações de pH e temperatura, com condições ótimas de pHótimo = 7.0 e Tótima = 45°C. Além da caracterização enzimática, a posição relativa entre o domínio catalítico e de ligação da celulose (CBM) da Endoglucanase por SAXS também foram determinadas, e ainda, para finalizar os estudos estruturais, a estrutura cristalográfica do domínio catalítico da enzima foi determinada com resolução de 2.8&Aring;, contendo quatro moléculas por unidade assimétrica. / The exhaustion of fossil fuels and the environment issues related have been generated many concerns for the society and searching for sustainable and effective alternative are being done in order to solve and bring innovations for biofuel production. Biomass can be a good alternative, but, for the success, it will be necessary degrading the cellular wall molecules into fermentable sugar. Biotechnology has improved and increased options in order to supply sustainable sources and environment preservation. The biomass transformation for bioethanol production, at the industrial scale, depends on the capacity of optimize the enzymatic hydrolysis of cellulose using enzymes of the cellulolytic complex, mainly produced by bacteria and filamentous fungi. We have studied the main endoglucanase of Xanthomonas campestris pv. Campestris ATCC33913 which has been initially identified by zymograms and mass spectrometry with high coverage sequence, and purified using precipitation with ammonium sulfate followed by size exclusion column. This enzyme had its kinetic parameters determined showing activity for the substrates tested and also has showed stability for pH and temperature changes, with optimal conditions of pHopt = 7.0 and Topt = 45°C. Following this enzymatic characterization, the relative position of the catalytic domain and cellulose binding domain (CBM) was determined by SAXS. In order to complete the structural studies, the crystallographic structure of the catalytic domain has been determined with 2.8&Aring; of resolution, showing four molecules by asymmetric unity.

A celulose é o biopolímero de maior abundância no mundo e tem potencial para se tornar fonte de energia renovável através de sua transformação em açúcares fermentáveis, que por sua vez serão transformados em etanol. A recalcitrância da celulose, principal dificuldade encontrada no processo, pode ser superada com o auxílio de enzimas (celulases). Ao menos três enzimas celulolíticas são necessárias para a degradação total da celulose, incluindo as celobioidrolases, que hidrolisam as ligações glicosídicas das extremidades redutoras e não redutoras da cadeia, as endoglucanases, que clivam a cadeia de celulose amorfa randomicamente, e as beta-glicosidases, que produzem glicose através dos celo-oligômeros. Mas para que esse processo se torne financeiramente viável é necessário conhecer o funcionamento, otimizar a atividade e aumentar a produção dessas celulases. Com o intuito de avançar na compreensão da função e estrutura dessas enzimas, o presente trabalho teve como objetivo o estudo estrutural de beta-glicosidases da família GH1 e endoglucanases da família GH5. Na primeira parte do trabalho, a expressão da endoglucanase II de Trichoderma reesei não foi alcançada, mesmo utilizando diferentes organismos e condições de expressão. Porém, na segunda etapa, foi obtida a expressão, purificação e os primeiros ensaios de cristalização de 11 beta-glicosidases bacterianas da família GH1 e 8 endoglucanases bacterianas da família GH5. Dentre elas, três beta-glicosidases e uma endoglucanase de Bacillus licheniformis foram cristalizadas e tiveram sua estrutura resolvida. As beta-glicosidases, apesar de possuírem o enovelamente similar, apresentaram variações no tamanho e posição das alças formadoras da fenda catalítica e divergem em relação a um dos aminoácidos importantes para a estabilização do substrato. Essas diferenças podem ajudar a explicar o mecanismo dessas enzimas para reconhecer substratos distintos. A endoglucanase da família GH5, possuindo dois módulos acessórios, foi cristalizada tanto na forma apo quanto complexada ao substrato celotetraose. O segundo módulo acessório possivelmente é um domínio de ligação à celulose (CBM) e seus resíduos aromáticos, que são responsáveis pela interação com o substrato, parecem complementar o sítio catalítico, sendo assim um novo mecanismo de auxílio enzimático de um CBM. O primeiro módulo acessório não possui um aparente sítio de interação com carboidratos e provavelmente funciona como um conector entre domínio catalítico e o CBM. O posicionamento do substrato no sítio de ligação é parecido com outras estruturas já determinadas, porém, suscita algumas dúvidas sobre a função dos resíduos catalíticos que é conservada na família. O carbono anomérico do substrato possui uma densidade eletrônica contínua com o glutamato da fita &beta;4 (que deveria ser o ácido/base) e está mais próximo dele que do glutamato da fita &beta;7 (que deveria ser o nucleófilo). / Cellulose is the most abundant biopolymer in the world and can become a renewable energy source through its transformation in fermentable sugars, which will be converted in bioethanol. The cellulose recalcitrance, main difficulty in the process, can be overcome with the aid of enzymes (cellulases). At least three cellulolytic enzymes are required for complete hydrolysis of cellulose, including cellobiohydrolases for hydrolyzing the glycosidic linkages from the reducing and non-reducing chain ends, endoglucanases for randomly cleaving cellulose chains in the amorphous regions, and beta-glucosidases for producing glucose from the solubilized cello-oligomers. But, to become a financially viable process it is necessary to know the mechanism, optimize the activity and improve the production of these cellulases. In order to advance the understanding of the structure and function of these enzymes, the present work intended to study the structure of beta-glucosidases from family GH1 and endoglucanases from family GH5. In the first part of the work, the expression of endoglucanase II from Trichoderma reesei was not achieved, even using different organisms and expression conditions. However, in the second part, the expression, purification and the crystallization first trials of eleven bacterial beta-glucosidases and eight bacterial endoglucanases were achieved. Among them, three beta-glucosidases and one endoglucanase from Bacillus licheniformis were crystallized and had their structures solved. Beta-glucosidases, although having a similar folding, showed variations in the length and position of the loops that form the catalytic cleft and diverge in relation to one of the amino acids that are important in substrate stabilization. These differences may help explain the mechanism of these enzymes to recognize distinct substrates. The endoglucanase, which has two accessory modules, was crystallized in the apo form and complexed with the substrate celotetraose. The second accessory module probably is a cellulose binding domain (CBM) and its aromatic residues, which are responsible for the substrate interaction, seem to complement the catalytic site. Therefore it can be a new mechanism of CBM assistance in the enzymatic activity. The first accessory module has no apparent interaction site with carbohydrates and probably works as a connector between the catalytic domain and CBM. The positioning of the substrate in the binding site is similar to other structures already solved but raises some questions about the role of the catalytic residues, that are conserved in the family. The anomeric carbon of the substrate has a continuous electron density with glutamate from sheet-&beta;4 (which should be the acid/base) and is closer to it than to glutamate from sheet-&beta;7 (which should be the nucleophile).

Dissertação(mestrado)- Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência de Alimentos, Escola de Química e Alimentos, 2009. / Submitted by Caroline Silva (krol_bilhar@hotmail.com) on 2012-08-23T22:33:15Z No. of bitstreams: 1 dissertao valcenir j. m. furlan.pdf: 906418 bytes, checksum: 98d6cbdee394d89fec01db81274e7779 (MD5) / Approved for entry into archive by Bruna Vieira(bruninha_vieira@ibest.com.br) on 2012-09-03T18:53:18Z (GMT) No. of bitstreams: 1 dissertao valcenir j. m. furlan.pdf: 906418 bytes, checksum: 98d6cbdee394d89fec01db81274e7779 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-09-03T18:53:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertao valcenir j. m. furlan.pdf: 906418 bytes, checksum: 98d6cbdee394d89fec01db81274e7779 (MD5) Previous issue date: 2009 / As atuais políticas ambientais buscam redução no consumo energético e no despejo de resíduos ao meio ambiente, através do desenvolvimento de alternativas ligadas a fontes renováveis. O aproveitamento de resíduos agroindustriais como a palha e a casca de arroz para geração de energia, apresentam elevado potencial, visto que são constituídos principalmente de carboidratos polimerizados, os quais podem ser utilizados como matéria-prima para a produção de bioetanol, já que na forma macromolecular não são assimiláveis nos processos fermentativos. O presente trabalho teve como objetivo estudar a produção de bioetanol utilizando palha e casca de arroz através de hidrólise ácida e enzimática seguida de fermentação. Na sacarificação ácida das matérias-primas foram avaliados o efeito da temperatura de reação (72 a 128ºC) e concentração de substrato (0,2 a 5,8%, p/v) na conversão de açúcares indiretamente para diretamente fermentescíveis utilizando como agente catalisador H2SO4 (72%, p/p), empregando um planejamento composto central ortogonal, sendo os maiores valores de açúcares redutores (AR) registrados no primeiro minuto de reação. Quando houve aumento da temperatura, verificou-se um efeito significativo (p=0,05) e negativo sobre a concentração de AR, tanto para a palha como para a casca de arroz. O máximo rendimento em AR (55,12%) foi obtido através da sacarificação da palha de arroz na concentração 3% (p/v) a 72°C. Na hidrólise enzimática estudou-se o efeito da temperatura, concentração de enzima e substrato na conversão de açúcares, após pré-tratamento para deslignificação da palha e casca de arroz. Os hidrolisados foram obtidos utilizando as enzimas comerciais celulase NS 50013 e -glucosidase NS 50010 (10:1), com agitação 150 min-1, pH 4,8 durante 48 h. Através da análise estatística observou-se que a concentração de enzima foi a variável que apresentou maior influência na formação de AR para ambas as matérias-primas. A máxima sacarificação alcançada foi através da hidrólise enzimática (79,90% de AR) da palha de arroz após 48 h de reação a 41,6°C. A fermentação do hidrolisado enzimático contendo 130 g/L de açúcares foi realizada em condições anaeróbias produzindo 23,3 g/L de etanol correspondendo a 0,41 g/g de conversão. Estes resultados indicam a potencialidade da palha de arroz para a utilização em processos biotecnológicos como para produção de bioetanol. / Current environmental politics look for energy consumption reduction and residues discard in environment, through development of renewable alternatives sources. The use of agroindustrial wastes as hulls and straw rice for energy generation show high potential because they are constituted mainly of polymerized carbohydrates, which can be used as raw material for the bioethanol production, since previously hydrolysates, because in the macromolecular form aren’t assimilable in fermentation processes. The present work had as objective to study the ethanol production from hulls and straw rice through acid and enzymatic hydrolysis followed by fermentation. In the acid saccharification of the raw materials were evaluated the effect of reaction temperature (72 and 128ºC) and substrate concentration (0.2 to 5.8%, w/v) on conversion of sugars indirectly for directly fermentable with catalytic agent H2SO4 (72%, w/w) using central composite rotatable design and the largest AR values recorded in the first minute reaction. When the temperature increased, a significant (p=0.05) and negative effect was verified on AR concentration, so much hulls as straw rice. The maximum AR (55.12%) was obtained from the saccharification straw rice on the concentration 3% (w/v) at 72°C. In the enzymatic saccharification was studied the effect of temperature, enzyme concentration and substrate concentration on conversion sugars, after pretreatment for delignification of hulls and straw rice. The hydrolysates were obtained using commercial enzymes Cellulase NS 50013 and b-glucosidase NS 50010 (10:1), with stirring 150 min-1, pH 4.8 for 48 h. Through the statistical analysis was observed that enzyme concentration was the variable that showed larger influence in the AR production in both raw materials. The maximum saccharification achieved was by straw rice through enzymatic hydrolysis (79.90% AR) of straw rice after 48 h reaction at 41.6°C. The fermentation of enzymatic hydrolysates containing 130 g/L sugars was accomplished in anaerobic conditions producing 23.3 ethanol g/L corresponding conversion of 0.41 g/g. These results indicate the potentiality of straw rice for use in processes biotechnological as bioethanol production.

Orientador: André Tosi Furtado / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-23T20:13:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_Gabrielada_M.pdf: 1679800 bytes, checksum: 464ab5544f5d77a03594a4b3d5e194fc (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Devido à questão da dependência das energias de fontes fósseis, intensificou-se a corrida tecnológica para a produção de combustíveis alternativos renováveis no mundo inteiro. Assim, faz-se necessário que o Brasil entre nessa corrida para não perder essa janela de oportunidade e continuar no estado-da-arte da produção do bioetanol. Dentro dessa corrida tecnológica pelas tecnologias denominadas de segunda geração, a hidrólise se apresenta como a mais viável, no curto e médio prazo, para tornar-se o processo de produção dominante de etanol combustível para automóveis. O bioetanol combustível a partir da cana-de-açúcar é um produto importante para o Brasil e as políticas públicas estiveram presentes em sua promoção desde o início do século XX. Desde os anos 30, ele é comercializado como combustível no país, mas foi com o Proálcool e por meio de políticas públicas envolvidas com a criação de um mercado para esse biocombustível que esse combustível se consolidou na matriz energética. Este estudo tem como objetivo contextualizar as iniciativas que levaram ao desenvolvimento do etanol celulósico no Brasil. Para tanto foi realizado um estudo de caso do projeto Dedini Hidrólise Rápida (DHR). Analisou-se o aprendizado tecnológico e relacional da Dedini e de outras organizações do País diretamente e indiretamente envolvidas com o projeto. As conclusões da dissertação apontam que, através do projeto DHR, o Brasil teve um envolvimento muito maior com as tecnologias de etanol de segunda geração. Conclui-se que o uso do processo DHR como possibilidade de pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar e o aprendizado tecnológico com o manuseio dessa matéria-prima, somado ao modelo de integração da segunda geração com a primeira, impulsionado por esse projeto, se configuram nos maiores aprendizados dessa iniciativa / Abstract: The issue of the dependence on fossil energy sources has intensified the technology race for the production of renewable alternative fuels worldwide. Thus, it is necessary that Brazil come into this race if the country don't want to miss this window of opportunity and continue in the state-of-the art of the production of bioethanol. Within the second-generation technological race, hydrolysis has the best conditions to become in the short and medium term the dominant production process of bioethanol. The sugar cane bio-ethanol fuel is an important product of the Brazilian economy and is present in its promotion public policies since the early twentieth century. Since the 1930, it is marketed as a fuel in the country, but it was with Proálcool and through public policies involved with the creation of a market for this biofuel that it became consolidated in the energy matrix. This dissertation aims to contextualize the initiatives that led to the development of cellulosic ethanol in Brazil. Therefore we conducted a case study of the Dedini Fast Hydrolysis project (DFH). The technological and relational learning of Dedini and other organizations of the country directly and indirectly involved with the Project was analysed. The conclusions of the dissertation show that Brazil had a much greater involvement with the second generation ethanol technology through the DFH project. This study concludes that the possible use of the DFH process as pre-treatment of sugarcane bagasse, and technological learning with handling this raw material, coupled with the integration model of the second generation with the first, driven by this project are the biggest learnings from this initiative / Mestrado / Politica Cientifica e Tecnologica / Mestra em Política Científica e Tecnológica

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

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

Energy utilization is a determining factor for the standards of living around the world, and the current primary source of energy is fossil fuels. A potential source of liquid fuels that could ease the strain caused by diminishing petroleum resources is bioethanol. Effective exploitation of biomass materials requires a pretreatment to disrupt the lignin and cellulose matrix. The pretreatment utilized for this research was oxygen delignification, which is a standard process stage in the production of bleached chemical pulp. The model substrate utilized as a feedstock for bioethanol was recovered fibre. An analysis of the substrates digestibility resulted in a hexose yield of approximately 23%, which justified the need for an effective pretreatment. An experimental design was performed to optimize the delignification conditions by performing experiments over a range of temperature, caustic loadings, and reaction times. Equations were developed that outline the dependence of various response parameters on the experimental variables. An empirical model that can predict sugar concentrations from enzymatic hydrolysis based on the Kappa number, enzyme loading, and initial fibre concentration was also developed. A study of hydrolysis feeding regimes for untreated recovered fibre (87 Kappa), pretreated recovered fibre (17 Kappa), and bleached pulp (6 Kappa) showed that the batch feeding regime offers reduced complexity and high sugar yields for lower Kappa substrates. In order to evaluate the possibility of lignin recovery, the pH of delignification liquor was reduced by the addition of CO₂ and H₂SO₄, resulting in up to 25% lignin yield. An experiment that looked at effect of post-delignification fibre washing on downstream hydrolysis found that a washing efficiency of approximately 90% is required in order to achieve a hexose sugar yield of 85%. / Applied Science, Faculty of / Chemical and Biological Engineering, Department of / Graduate