Orientadores: Gustavo Henrique Goldman, Juliana Velasco de Castro Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-27T05:49:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Borin_GustavoPagotto_M.pdf: 4025117 bytes, checksum: 5d652481786ac0f6cf4259069d181514 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A parede celular vegetal é uma estrutura recalcitrante, composta por polissacarídeos complexos que podem ser quebrados em açúcares fermentáveis. A desconstrução desse material complexo pode ser feita por diversos tipos de enzimas hidrolíticas, que são produzidas naturalmente por uma variedade de microrganismos. Entre eles, o fungo Trichoderma reesei se destaca pela capacidade de produzir e secretar estas enzimas em grandes quantidades. Embora alguns trabalhos utilizando abordagens de proteômica e transcriptômica já tenham sido realizados com esse fungo, ainda não são conhecidos em detalhes os mecanismos moleculares responsáveis pela degradação da parede e a regulação gênica envolvida nesse sistema lignocelulolítico. O presente trabalho tem como objetivo principal a análise da expressão gênica global de T. reesei, crescido por 6, 12 e 24 horas em bagaço e colmo de cana-de-açúcar como fontes únicas de carbono, pela técnica de sequenciamento high-throughput de RNA (RNA-Seq). No transcriptoma de T. reesei foram identificadas sendo hiper-expressas as principais celulases, hemicelulases e proteínas acessórias relacionadas direta ou indiretamente com a desconstrução da parede vegetal. De modo geral, as celulases e hemicelulases apresentaram uma expressão maior do que outras enzimas, e o nível dos seus transcritos foi crescente ao longo do tempo tanto em colmo quanto no bagaço. A grande maioria dos genes de CAZymes e proteínas acessórias hiper-expressos foram compartilhados pelos dois substratos, o que demonstra que a estratégia usada por T. reesei para degradar a parede celular do colmo e do bagaço é similar. Adicionalmente, vários fatores de transcrição, proteínas de função desconhecida e transportadores supostamente envolvidos na assimilação dos açúcares liberados também foram hiper-expressos nas condições amostradas. Para validação do RNA-Seq, foi realizado PCR em tempo real de diversos genes hiper-expressos que codificam para enzimas hidrolíticas, reguladores transcricionais, proteínas acessórias e genes ainda não caracterizados. Para isso, a análise temporal foi ampliada para 30 minutos, 2, 4, 6, 12 e 24 horas de crescimento após o inóculo, o que permitiu uma análise mais detalhada da expressão desses genes. Como objetivo secundário, foi analisado o secretoma deste fungo e os açúcares concomitantemente liberados no sobrenadante. Estas análises indicaram que a desconstrução da parede celular já se inicia dentro de 6 horas pós inoculo, com a liberação de monômeros (principalmente xilose e glicose) dos polissacarídeos e secreção de diversas CAZymes. Ensaios enzimáticos também foram realizados, mostrando atividades celulo e hemicelulolíticas. Assim, descrevemos pela primeira vez o arsenal de enzimas transcritas e secretadas por T. reesei RUT C30, desde pontos inicias de crescimento, em bagaço explodido e colmo de cana-de-açúcar. Por fim, este trabalho também permitiu a identificação de vários genes, com função predita ou não, que podem abrir caminho para a descoberta de novos atuantes na resposta do fungo ao substrato lignocelulósico / Abstract: Plant cell wall is a recalcitrant structure composed of complex polysaccharides which can be broken down into fermentable sugars. The deconstruction of this complex material can be made by a variety of hydrolytic enzymes which are naturally produced by a variety of microorganisms. Among them, stands out the fungus Trichoderma reesei, able to produce and secrete those enzymes in large quantities. Although some studies using transcriptomics and proteomics approaches have been performed with this fungus, the molecular mechanisms responsible for the degradation of the cell wall and gene regulation involved in this lignocellulosic system are not well known. This work has as main objective the analysis of global gene expression of T. reesei grown at 6, 12 and 24 hours in sugarcane bagasse and culm as sole carbon sources by high-throughput RNA sequencing technology (RNA-Seq). In the T. reesei transcriptome, it was identified the major cellulases, hemicellulases and accessory proteins directly or indirectly related to the deconstruction of plant cell wall. In general, cellulases and hemicellulases exhibited higher expression than other enzymes, and the level of their transcripts was increased over the time in both culm and bagasse cultures. Most of up-regulated CAZymes and accessory proteins were shared between the two substrates, which demonstrates the strategy used by T. reesei to degrade the bagasse and culm cell wall is similar. Furthermore, several transcription factors, proteins of unknown function and transporters supposedly involved in the assimilation of sugars were also up-regulated in the sampled conditions. To validate the RNA-Seq data, real-time PCR of several up-regulated genes encoding hydrolytic enzymes, transcriptional regulators, accessory proteins and proteins not yet characterized was carried out. The time points was extended to 30 min, 2, 4, 6, 12 and 24 hours of growth after inoculation, allowing a more detailed analysis of the expression of these genes. As a secondary objective, T. reesei secretome and the sugars released in the supernatant were analyzed. It was shown that the sugarcane cell wall deconstruction begins within the first 6 hours post inoculation, releasing sugar monomers (mainly xylose and glucose) from polysaccharides due to the secretion of several hydrolytic enzymes. Enzymatic assays were also performed, showing cellulosic and hemicellulosic activities. Finally, this is the first study showing the arsenal of enzymes transcribed and secreted by T. reesei grown on steam exploded sugarcane bagasse and culm, at early time points. It was possible identify several genes, with predicted function or not, that can open new paths to discover novel players on the fungus response to lignocellulosic substrate / Mestrado / Microbiologia / Mestre em Genética e Biologia Molecular

O uso desenfreado dos recursos naturais durante as últimas décadas têm impactado drasticamente o meio ambiente, direcionando a humanidade a investir no desenvolvimento de tecnologias para produção sustentável e ecológica de novas fontes de energia renovável e de produtos verdes. Nesse âmbito, o uso de resíduos derivados da biomassa vegetal tem sido apresentado como uma promissora alternativa à substituição de combustíveis, componentes químicos e polímeros de origem fóssil. Esse material é barato, abundante e não compete direta ou indiretamente com a segurança alimentar. Hoje, mais de 200 compostos químicos e biopolímeros de valor agregado podem ser obtidos a partir do processamento de material lignocelulósico. Todavia, essa tecnologia ainda não é plenamente desenvolvida, afetando sua competitividade econômica, sendo que o maior custo atribui-se à despolimerização enzimática dos polissacarídeos que formam a parede celular vegetal (PCV). Essa etapa requer preparados enzimáticos compostos por diversas enzimas, que agem sinergicamente sobre a complexa estrutura da PCV. Dentre essas enzimas, as pectinases e xilanases desempenham um importante papel na desconstrução dos polímeros pécticos e da hemicelulose. O presente trabalho objetivou o estudo funcional e estrutural de diferentes classes de pectinases e xilanases com potencial biotecnológico, no intuito de contribuir para o desenvolvimento pleno da despolimerização enzimática da PCV. Dentro dessa perspectiva, foram estudadas: uma pectina metilesterase (Sl-PME) e uma endo-poligalacturonase (Sl-EndoPG) do inseto Sphenophorus levis; uma exo-poligalacturonase (Bl-ExoPG) de Bacillus licheniformis; uma xilanase GH10 (MT-Xyn10) e duas GH11 (MT-Xyn11a e MT-Xyn11b) identificadas no metatranscriptoma de um consórcio microbiótico derivado de compostagem de bagaço de cana-de-açúcar. A estrutura cristalográfica da Sl-PME evidenciou alta semelhança com outra PME de inseto. Também foi concluído que as PMEs de inseto são mais similares às bacterianas, quando comparadas às fúngicas e vegetais, principalmente em relação ao sulco catalítico. Além disso, PMEs de inseto, exclusivamente, apresentam uma permutação circular, possívelmente realcionada a um evento de transferência horizontal. A Bl-ExoPG apresentou-se monomérica em solução, com atividade ótima em pH neutro a 60°C, sendo estável em uma ampla faixa de pH (5-10) e com considerável termoestabilidade em elevadas temperaturas. Essa enzima, também, apresentou especificidade por pectina não-metilada, liberando unicamente monômeros de ácido galacturônico. As três xilanases estudadas apresentaram-se monoméricas em solução, com maior atividade entre 30 e 45°C e pHs de 6 a 9, retendo atividade acima de 50% nos pHs 5 e 10. Além disso, todas elas apresentam especificidade por xilano, sendo que a MT-Xyn10 apresentou, também, alta atividade sobre arabinoxilano. A MT-Xyn10 apresentou um conjunto de propriedades enzimáticas bastante atrativas às aplicações industriais, uma vez que é altamente estável em uma ampla faixa de pH (4-10), termoestável em temperaturas de até 50°C e sua ação catalítica produz diversos xilo-oligossacarídeos de alto valor agregado. A análise da estrutura cristalográfica da MT-Xyn11a revela três particularidades estruturais, compartilhadas com a MT-Xyn11b, mas não descritas para outras GH11. Dentre essas particularidades, um loop parece limitar o acesso do substrato ao sítio catalítico, contribuindo diretamente para a baixa afinidade ao substrato apresentada por essas duas enzimas. / Decades of unbridled use of natural resources have drastically affected the global environment, driving humanity to invest in the development of novel technologies for production of sustainable and ecofriendly renewable energy sources and green products. In this context, plant biomass residues have been presented as a promising alternative to fuels, chemicals and polymers derived from fossil reserves. This feedstock is abundant, cheap and does not compete directly or indirectly with food security. Today, more than 200 value-added chemicals and biopolymers can be generated by processing lignocellulosic material. However, this technology is not fully developed yet; its major costs stem from the enzymatic depolymerization of the polysaccharides that constitute the plant cell wall (PCW). This step requires enzymatic cocktails composed of several enzymes that synergistically deconstruct the complex PCW. Among these enzymes, pectinases and xylanases play an important role in the depolymerization of pectic polymers and hemicellulose. The present work is a functional and structural study of different classes of pectinase and xylanases with biotechnological potential. It intends to contribute to the full development of PCW enzymatic depolymerization. With this perspective, we studied a pectin methylesterase (Sl-PME) and an endo-polygalacturonase (Sl-EndoPG) from the insect Sphenophorus levis; an exo-polygalacturonase (Bl-ExoPG) from Bacillus licheniformis; a GH10 xylanase (MT-Xyn10); and two GH11 xylanases (MT-Xyn11a and MT-Xyn11b) from the metatranscriptome of sugarcane bagasse compost-derived microbial consortia. The Sl-PME crystallographic structure showed high similarity with other insect PME. It was also concluded that insect PMEs are more similar to bacterial PMEs than fungi or plant PMEs, especially in relation to the catalytic groove. Moreover, insect PMEs exclusively presented a circular permutation that is possibly related to an event of horizontal gene transfer. Bl-ExoPG is monomeric in solution, with optimal activity on neutral pH and 60°C, being stable in a wide pH range (5-10) and with considerable thermostability at high temperatures. This enzyme, also presented specificity for non-methylated pectin substrates, releasing only monomers of galacturonic acid as catalytic product. All three xylanases studied here are monomeric in solution, with optimal activity between 30°C and 45°C and between pHs 6 and 9, retaining more than 50% of original activity in the pHs 5 and 10. Besides, they all showed specificity for xylan, and MT-Xyn10 also showed high activity on arabinoxylan. MT-Xyn10 revealed a set of enzymatic properties attractive for industrial applications, such as high stability in a wide pH range (4-10), thermostability up to 50°C and released products that are high value-added xilo-oligosaccharides. The MT-Xyn11a crystallographic structure revealed three structural particularities shared with MT-Xyn11b, but not previously described in other GH11. Among these particularities, a loop seems to limit the substrate access to the catalytic site, contributing to the low enzyme affinity presented by both MT-Xyn11a and MT-Xyn11b.

Apesar das excelentes condições edafoclimáticas para a produção de abacates no Brasil, a cultura encontra limitações relacionadas à baixa produtividade e suscetibilidade à podridão da raiz causada por Phytophthora cinnamomi, a principal doença da cultura nas distintas regiões produtoras. A aplicação de coberturas naturais ao solo é uma das estratégias que visa o controle desta doença, e entre seus benefícios estão a maior disponibilidade de água e nutrientes, menor competição das plantas daninhas, melhoria da estrutura, porosidade e fertilidade do solo e melhor aspecto sanitário das plantas, por favorecer a formação de um ambiente supressivo ao desenvolvimento do patógeno, pelo aumento do sistema radicular e da população de microorganismos antagônicos. Todos estes benefícios das coberturas naturais, junto ao aporte de nutrientes após sua incorporação, favorecem indiretamente a produção e o crescimento dos frutos. O objetivo deste trabalho foi avaliar distintos manejos da vegetação intercalar em abacateiros \'Hass\' visando à obtenção de coberturas naturais que, aplicadas ao solo, permitam minimizar a incidência da podridão radicular, promovendo melhorias no estado sanitário das plantas e na produção. Entre 2011 e 2013 foram avaliados cinco tratamentos: T1: ausência de vegetação intercalar, sem aplicação de cobertura morta sob a copa das plantas; T2: ausência de vegetação intercalar e duas aplicações externas de cobertura morta sob a copa; T3: duas deposições de cobertura morta sob a copa, obtida pelo corte da vegetação intercalar com roçadeira enleiradora lateral (REL); T4: três deposições de cobertura morta sob a copa, obtida pelo corte da vegetação intercalar com REL, e T5: manutenção da vegetação intercalar com três cortes anuais utilizando roçadeira convencional, sem deposição de cobertura morta sob a copa. O delineamento estatístico foi em blocos aleatorizados, com 6 repetições e 3 plantas úteis por parcela, nas quais foram avaliados: os teores de macronutrientes e micronutrientes em folhas e no solo; desenvolvimento vegetativo e radicular, produção de frutos, aspecto visual das plantas, massa seca da vegetação intercalar, espessura da cobertura morta e características químicas e microbiológicas do solo. A aplicação de coberturas vegetais resultou em um maior crescimento das plantas e maior tamanho dos frutos, sem efeito significativo sobre a produção. A deposição de cobertura morta obtida com REL favoreceu o desenvolvimento das raízes na camada superficial do solo. No entanto, os tratamentos não influenciaram significativamente o aspecto visual sanitário das plantas, nem os teores de macronutrientes e micronutrientes nas folhas e no solo. O manejo da vegetação intercalar com roçadeira convencional resultou em maior volume de massa seca, já o manejo desta com dois ou três cortes anuais utilizando REL depositou uma quantidade similar de cobertura morta sob a copa, que foi inferior à depositada pela aplicação externa de cobertura (T2). Todos os tratamentos com deposição de cobertura vegetal suprimiram o desenvolvimento de plantas daninhas sob a copa. No tratamento sem aplicação de cobertura morta e sem vegetação intercalar, houve aumento na população de P. cinnamomi no solo. Comparativamente, no período de dois anos, não foram observadas diferenças na população de actinomicetos no solo dos distintos tratamentos. / Despite the excellent soil and climatic conditions for avocado production in Brazil, the culture has limitations related to low productivity and susceptibility to avocado root rot caused by Phytophthora cinnamomi, the main crop disease in all producing areas. Mulching is one of the strategies utilized for controlling this disease, with several benefits such as an improved soil water and nutrients availability for roots, reduced weed competition, improved soil structure, porosity and fertility and enhanced plant health condition, due to the creation of a suppressive environment for the development of the pathogen, by increasing root density and the population of antagonistic microorganisms. All these benefits of natural mulches, together with the supply of nutrients and assimilates after their incorporation to the soil, indirectly enhance fruit yield and size. The aim of this work was to evaluate different managements of inter-row vegetation in an adult \'Hass\' avocado orchard in order to obtain mulches which, after being applied to the soil, will allow reducing root rot incidence, thus promoting improvement of plant sanitary condition, with positive effects on fruit yield. From 2011 through 2013, five treatments were evaluated: T1: absence of inter-row vegetation, without mulch application under the canopy; T2: absence of inter-row vegetation and two applications of external mulch under the canopy: T3: two mulch depositions under the canopy obtained after cutting off the inter-row vegetation with a lateral alignment mower (LAM); T4: three mulch depositions under the canopy obtained after cutting off the inter-row vegetation with a LAM, and T5: maintenance of natural inter-row vegetation with three annual cuttings using a conventional mower, without mulch deposition under the canopy. The experiment was conducted in randomized blocks, with 6 repetitions and 3 plants per plot, on which the following variables were measured: levels of macro and micronutrients in leaves and soil; root and plant size development; fruit yield and size; plant sanitary condition visually assessed with a 10-note scale; biomass of inter-row vegetation; mulch thickness and chemical and microbiological soil characteristics. Mulching resulted in larger plant growth and fruit size, with no significant effects on fruit yield. Application of mulch obtained with a LAM enhanced root growth in the surface soil layer. Nonetheless, the treatments did not significantly affect nor the plant sanitary aspect, neither the leaf or soil levels of macro and micronutrients. Management of inter-row vegetation with a conventional mower resulted in larger biomass development, while managing inter-row vegetation with two or three cuttings with LAM per year resulted in similar amounts of mulch laid down under the canopy, yet less than with the application of external mulch (T2). All the treatments with mulch deposition suppressed weed growth under the canopy. In the treatment with no mulch and no inter-row cropping, a larger population of P. cinnamomi was recorded. There were no differences in the Actinomycetes soil population among treatments.

O principal objetivo deste trabalho foi avaliar o impacto de diferentes condições de processo no preço mínimo de venda do etanol produzido via hidrólise enzimática de bagaço da canade- açúcar. Para alcançar este objetivo o trabalho foi separado em três partes, a primeira para a modelagem das reações envolvidas no processo, a segunda para o dimensionamento dos equipamentos principais e a terceira para a avaliação econômica do projeto. Dessa forma, foi realizada a modelagem cinética das reações de pré-tratamento por explosão a vapor do bagaço de cana, da hidrólise enzimática do bagaço pré-tratado e da fermentação de xilose, os modelos obtidos foram utilizados para o dimensionamento de cada sistema reacional. Os dados experimentais para o pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação de xilose foram obtidos da literatura. Todos os modelos propostos ajustaram adequadamente os dados experimentais de tal forma que os parâmetros cinéticos calculados foram estatisticamente significativos. O sistema de pré-tratamento foi projetado para operar em regime contínuo em reatores tubulares (PFR) e a hidrólise enzimática para operar em regime contínuo em reatores tipo tanque agitado (CSTR) e tubular em série. O sistema CSTR-PFR para a hidrólise enzimática é promissor para a realização desta reação, pois permite obter elevadas conversões em tempos de reação menores que aqueles necessários para os reatores CSTR. Neste sistema é possível alcançada a conversão de 74,3 % da celulose operando o CSTR e o PFR com tempo espacial de 24 h e 72 h, respectivamente. Foi possível avaliar o impacto das condições de pré-tratamento no dimensionamento do sistema de hidrólise enzimática. Além disso, o efeito da concentração inicial de bagaço e enzimas no rendimento de hidrólise enzimática foi avaliado frente aos resultados econômicos. A avaliação dos custos de capital foi realizada via curvas de custo de equipamentos. As diferentes condições de processo estudadas foram comparadas pela determinação do preço mínimo de venda do etanol (PMVE) obtido através da metodologia do lucro do empreendimento (LE). A avaliação econômica do processo mostrou que as condições que podem minimizar o PMVE são: realização do pré-tratamento a 200 °C por 5 min; realização da hidrólise enzimática com concentração inicial de celulose igual a 9,1 % (m/m) ou aproximadamente 17 % (m/m) de bagaço de cana, tempo espacial nos reatores CSTR e PFR de 24 h e 48 h, respectivamente; dosagem de enzimas igual a 40 FPU/g para celulase e 15 U/g para -glicosidase; capacidade de processamento da planta maior que 500 t/dia de bagaço (base seca) e necessariamente a utilizar da fração hemicelulósica para a produção de etanol. Operando nestas condições para uma planta com capacidade para 1000 t/dia o PMVE foi estimado em R$ 5,79 por litro. Dessa forma, este trabalho atingiu seus objetivos fornecendo subsídios para a escolha das condições mais favoráveis para a redução do PMVE, no entanto para a viabilização deste processo de produção de etanol outras configurações de processo devem ser estudas visando a redução dos custos de investimento e produção. / The main objective of this study was to evaluate the impact of different process conditions on the minimum selling price of ethanol via enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse. To achieve this objective the work was separated into three parts, the first to model the reactions involved in the process, the second for the design of major equipment and the third for the economic evaluation of the project. Thus, we performed kinetic modeling of reactions pretreatment by steam explosion of bagasse, the enzymatic hydrolysis of pretreated bagasse and fermentation of xylose, the obtained models were used for the design of each reaction system. The experimental data for the pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation of xylose were obtained from literature. All the proposed models adequately fitted the experimental data so that the kinetic parameters calculated were statistically significant. The system of pretreatment is designed to operate under a continuous tubular reactor (PFR) and enzymatic hydrolysis to operate in a continuous stirred tank reactor (CSTR) and tubular in series. The CSTR-PFR system for the enzymatic hydrolysis is promising to carry out this reaction, because it offers high conversions in shorter reaction times than those required for CSTR reactors. This system can achieved 74.3% conversion of cellulose operating the CSTR and PFR with space-time 24 h and 72 h, respectively. It was possible to assess the impact of the conditions of pretreatment in the design system of enzymatic hydrolysis. Furthermore, the effect of initial concentration of bagasse and enzymes on yield of enzymatic hydrolysis was evaluated in the face of economic results. The evaluation of capital costs was done through cost curves of equipment. The different process conditions studied were compared by determining the minimum ethanol selling price (MESP) obtained through the methodology of the venture profit (VP). The economic evaluation process showed that the conditions that can minimize the MESP are: completion of pre-treatment at 200 ° C for 5 min; completion of the enzymatic hydrolysis with initial concentration of cellulose of 9.1% (w / w) or about 17% (w / w) of bagasse, time in the reactors CSTR and PFR 24 h and 48 h, respectively, enzyme dosage of 40 FPU / g for cellulase and 15 U / g for -glucosidase; capacity processing plant more than 500 tonnes per day of bagasse (dry basis) and necessarily to use the hemicellulose fraction to ethanol production. Operating in these conditions for a plant with a capacity of 1000 t / day, the MESP was estimated at R$ 5.79 per liter. Thus, this work achieved its objectives by providing subsidies to select the most favorable conditions for the reduction of MESP, but for the viability of this process of ethanol production process of other settings should be studied in order to reduce investment costs and production.

O principal objetivo deste trabalho foi avaliar o impacto de diferentes condições de processo no preço mínimo de venda do etanol produzido via hidrólise enzimática de bagaço da canade- açúcar. Para alcançar este objetivo o trabalho foi separado em três partes, a primeira para a modelagem das reações envolvidas no processo, a segunda para o dimensionamento dos equipamentos principais e a terceira para a avaliação econômica do projeto. Dessa forma, foi realizada a modelagem cinética das reações de pré-tratamento por explosão a vapor do bagaço de cana, da hidrólise enzimática do bagaço pré-tratado e da fermentação de xilose, os modelos obtidos foram utilizados para o dimensionamento de cada sistema reacional. Os dados experimentais para o pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação de xilose foram obtidos da literatura. Todos os modelos propostos ajustaram adequadamente os dados experimentais de tal forma que os parâmetros cinéticos calculados foram estatisticamente significativos. O sistema de pré-tratamento foi projetado para operar em regime contínuo em reatores tubulares (PFR) e a hidrólise enzimática para operar em regime contínuo em reatores tipo tanque agitado (CSTR) e tubular em série. O sistema CSTR-PFR para a hidrólise enzimática é promissor para a realização desta reação, pois permite obter elevadas conversões em tempos de reação menores que aqueles necessários para os reatores CSTR. Neste sistema é possível alcançada a conversão de 74,3 % da celulose operando o CSTR e o PFR com tempo espacial de 24 h e 72 h, respectivamente. Foi possível avaliar o impacto das condições de pré-tratamento no dimensionamento do sistema de hidrólise enzimática. Além disso, o efeito da concentração inicial de bagaço e enzimas no rendimento de hidrólise enzimática foi avaliado frente aos resultados econômicos. A avaliação dos custos de capital foi realizada via curvas de custo de equipamentos. As diferentes condições de processo estudadas foram comparadas pela determinação do preço mínimo de venda do etanol (PMVE) obtido através da metodologia do lucro do empreendimento (LE). A avaliação econômica do processo mostrou que as condições que podem minimizar o PMVE são: realização do pré-tratamento a 200 °C por 5 min; realização da hidrólise enzimática com concentração inicial de celulose igual a 9,1 % (m/m) ou aproximadamente 17 % (m/m) de bagaço de cana, tempo espacial nos reatores CSTR e PFR de 24 h e 48 h, respectivamente; dosagem de enzimas igual a 40 FPU/g para celulase e 15 U/g para -glicosidase; capacidade de processamento da planta maior que 500 t/dia de bagaço (base seca) e necessariamente a utilizar da fração hemicelulósica para a produção de etanol. Operando nestas condições para uma planta com capacidade para 1000 t/dia o PMVE foi estimado em R$ 5,79 por litro. Dessa forma, este trabalho atingiu seus objetivos fornecendo subsídios para a escolha das condições mais favoráveis para a redução do PMVE, no entanto para a viabilização deste processo de produção de etanol outras configurações de processo devem ser estudas visando a redução dos custos de investimento e produção. / The main objective of this study was to evaluate the impact of different process conditions on the minimum selling price of ethanol via enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse. To achieve this objective the work was separated into three parts, the first to model the reactions involved in the process, the second for the design of major equipment and the third for the economic evaluation of the project. Thus, we performed kinetic modeling of reactions pretreatment by steam explosion of bagasse, the enzymatic hydrolysis of pretreated bagasse and fermentation of xylose, the obtained models were used for the design of each reaction system. The experimental data for the pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation of xylose were obtained from literature. All the proposed models adequately fitted the experimental data so that the kinetic parameters calculated were statistically significant. The system of pretreatment is designed to operate under a continuous tubular reactor (PFR) and enzymatic hydrolysis to operate in a continuous stirred tank reactor (CSTR) and tubular in series. The CSTR-PFR system for the enzymatic hydrolysis is promising to carry out this reaction, because it offers high conversions in shorter reaction times than those required for CSTR reactors. This system can achieved 74.3% conversion of cellulose operating the CSTR and PFR with space-time 24 h and 72 h, respectively. It was possible to assess the impact of the conditions of pretreatment in the design system of enzymatic hydrolysis. Furthermore, the effect of initial concentration of bagasse and enzymes on yield of enzymatic hydrolysis was evaluated in the face of economic results. The evaluation of capital costs was done through cost curves of equipment. The different process conditions studied were compared by determining the minimum ethanol selling price (MESP) obtained through the methodology of the venture profit (VP). The economic evaluation process showed that the conditions that can minimize the MESP are: completion of pre-treatment at 200 ° C for 5 min; completion of the enzymatic hydrolysis with initial concentration of cellulose of 9.1% (w / w) or about 17% (w / w) of bagasse, time in the reactors CSTR and PFR 24 h and 48 h, respectively, enzyme dosage of 40 FPU / g for cellulase and 15 U / g for -glucosidase; capacity processing plant more than 500 tonnes per day of bagasse (dry basis) and necessarily to use the hemicellulose fraction to ethanol production. Operating in these conditions for a plant with a capacity of 1000 t / day, the MESP was estimated at R$ 5.79 per liter. Thus, this work achieved its objectives by providing subsidies to select the most favorable conditions for the reduction of MESP, but for the viability of this process of ethanol production process of other settings should be studied in order to reduce investment costs and production.

O uso desenfreado dos recursos naturais durante as últimas décadas têm impactado drasticamente o meio ambiente, direcionando a humanidade a investir no desenvolvimento de tecnologias para produção sustentável e ecológica de novas fontes de energia renovável e de produtos verdes. Nesse âmbito, o uso de resíduos derivados da biomassa vegetal tem sido apresentado como uma promissora alternativa à substituição de combustíveis, componentes químicos e polímeros de origem fóssil. Esse material é barato, abundante e não compete direta ou indiretamente com a segurança alimentar. Hoje, mais de 200 compostos químicos e biopolímeros de valor agregado podem ser obtidos a partir do processamento de material lignocelulósico. Todavia, essa tecnologia ainda não é plenamente desenvolvida, afetando sua competitividade econômica, sendo que o maior custo atribui-se à despolimerização enzimática dos polissacarídeos que formam a parede celular vegetal (PCV). Essa etapa requer preparados enzimáticos compostos por diversas enzimas, que agem sinergicamente sobre a complexa estrutura da PCV. Dentre essas enzimas, as pectinases e xilanases desempenham um importante papel na desconstrução dos polímeros pécticos e da hemicelulose. O presente trabalho objetivou o estudo funcional e estrutural de diferentes classes de pectinases e xilanases com potencial biotecnológico, no intuito de contribuir para o desenvolvimento pleno da despolimerização enzimática da PCV. Dentro dessa perspectiva, foram estudadas: uma pectina metilesterase (Sl-PME) e uma endo-poligalacturonase (Sl-EndoPG) do inseto Sphenophorus levis; uma exo-poligalacturonase (Bl-ExoPG) de Bacillus licheniformis; uma xilanase GH10 (MT-Xyn10) e duas GH11 (MT-Xyn11a e MT-Xyn11b) identificadas no metatranscriptoma de um consórcio microbiótico derivado de compostagem de bagaço de cana-de-açúcar. A estrutura cristalográfica da Sl-PME evidenciou alta semelhança com outra PME de inseto. Também foi concluído que as PMEs de inseto são mais similares às bacterianas, quando comparadas às fúngicas e vegetais, principalmente em relação ao sulco catalítico. Além disso, PMEs de inseto, exclusivamente, apresentam uma permutação circular, possívelmente realcionada a um evento de transferência horizontal. A Bl-ExoPG apresentou-se monomérica em solução, com atividade ótima em pH neutro a 60°C, sendo estável em uma ampla faixa de pH (5-10) e com considerável termoestabilidade em elevadas temperaturas. Essa enzima, também, apresentou especificidade por pectina não-metilada, liberando unicamente monômeros de ácido galacturônico. As três xilanases estudadas apresentaram-se monoméricas em solução, com maior atividade entre 30 e 45°C e pHs de 6 a 9, retendo atividade acima de 50% nos pHs 5 e 10. Além disso, todas elas apresentam especificidade por xilano, sendo que a MT-Xyn10 apresentou, também, alta atividade sobre arabinoxilano. A MT-Xyn10 apresentou um conjunto de propriedades enzimáticas bastante atrativas às aplicações industriais, uma vez que é altamente estável em uma ampla faixa de pH (4-10), termoestável em temperaturas de até 50°C e sua ação catalítica produz diversos xilo-oligossacarídeos de alto valor agregado. A análise da estrutura cristalográfica da MT-Xyn11a revela três particularidades estruturais, compartilhadas com a MT-Xyn11b, mas não descritas para outras GH11. Dentre essas particularidades, um loop parece limitar o acesso do substrato ao sítio catalítico, contribuindo diretamente para a baixa afinidade ao substrato apresentada por essas duas enzimas. / Decades of unbridled use of natural resources have drastically affected the global environment, driving humanity to invest in the development of novel technologies for production of sustainable and ecofriendly renewable energy sources and green products. In this context, plant biomass residues have been presented as a promising alternative to fuels, chemicals and polymers derived from fossil reserves. This feedstock is abundant, cheap and does not compete directly or indirectly with food security. Today, more than 200 value-added chemicals and biopolymers can be generated by processing lignocellulosic material. However, this technology is not fully developed yet; its major costs stem from the enzymatic depolymerization of the polysaccharides that constitute the plant cell wall (PCW). This step requires enzymatic cocktails composed of several enzymes that synergistically deconstruct the complex PCW. Among these enzymes, pectinases and xylanases play an important role in the depolymerization of pectic polymers and hemicellulose. The present work is a functional and structural study of different classes of pectinase and xylanases with biotechnological potential. It intends to contribute to the full development of PCW enzymatic depolymerization. With this perspective, we studied a pectin methylesterase (Sl-PME) and an endo-polygalacturonase (Sl-EndoPG) from the insect Sphenophorus levis; an exo-polygalacturonase (Bl-ExoPG) from Bacillus licheniformis; a GH10 xylanase (MT-Xyn10); and two GH11 xylanases (MT-Xyn11a and MT-Xyn11b) from the metatranscriptome of sugarcane bagasse compost-derived microbial consortia. The Sl-PME crystallographic structure showed high similarity with other insect PME. It was also concluded that insect PMEs are more similar to bacterial PMEs than fungi or plant PMEs, especially in relation to the catalytic groove. Moreover, insect PMEs exclusively presented a circular permutation that is possibly related to an event of horizontal gene transfer. Bl-ExoPG is monomeric in solution, with optimal activity on neutral pH and 60°C, being stable in a wide pH range (5-10) and with considerable thermostability at high temperatures. This enzyme, also presented specificity for non-methylated pectin substrates, releasing only monomers of galacturonic acid as catalytic product. All three xylanases studied here are monomeric in solution, with optimal activity between 30°C and 45°C and between pHs 6 and 9, retaining more than 50% of original activity in the pHs 5 and 10. Besides, they all showed specificity for xylan, and MT-Xyn10 also showed high activity on arabinoxylan. MT-Xyn10 revealed a set of enzymatic properties attractive for industrial applications, such as high stability in a wide pH range (4-10), thermostability up to 50°C and released products that are high value-added xilo-oligosaccharides. The MT-Xyn11a crystallographic structure revealed three structural particularities shared with MT-Xyn11b, but not previously described in other GH11. Among these particularities, a loop seems to limit the substrate access to the catalytic site, contributing to the low enzyme affinity presented by both MT-Xyn11a and MT-Xyn11b.

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas (mchagas@ufv.br) on 2016-08-19T10:36:15Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3114007 bytes, checksum: 23cf7ef1458c16cecd8c52dc98936b7a (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-19T10:36:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3114007 bytes, checksum: 23cf7ef1458c16cecd8c52dc98936b7a (MD5) Previous issue date: 2016-03-04 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Devido a questões ambientais e estratégicas, a biomassa vem despontando como uma das alternativas para a diversificação da matriz energética no mundo todo. A biomassa florestal é abundante no estado de Minas Gerais; porém, seu uso para geração de energia ainda é um nicho a ser explorado. O planejamento geográfico da produção da energia da biomassa é de extrema importância para a garantia de distribuição de energia barata e limpa. Este trabalho apresenta uma metodologia desenvolvida em ambiente SIG para a prospecção de unidades energéticas à base de biomassa florestal em Minas Gerais. Primeiramente, foi feito o zoneamento de aptidão para o desenvolvimento da atividade, combinando diversos fatores ambientais, sociais e de infraestrutura do estado, por meio da lógica fuzzy. Em um segundo momento, foi gerado um modelo de localização-alocação envolvendo as áreas de elevada aptidão para o empreendimento, a distribuição espacial da disponibilidade de matéria-prima e a malha viária do estado. Simularam-se vários cenários com diferentes números de usinas bioenergéticas, utilizando-se um modelo de localização-alocação capacitado, de modo a consumir metade do estoque de madeira do estado. As localidades ótimas e o número ideal de usinas foram determinados de modo a minimizar as distâncias de transporte da matéria- prima até as fábricas. / Modern society is dependent on energy use in several ways. Due to environmental and strategic issues, biomass is emerging as an alternative for the diversification of energy sources worldwide. Forest biomass is abundant in the state of Minas Gerais, but its usage for power generation is still a niche to be exploited. The geographical planning of biomass energy production is of utmost importance to guarantee the distribution of cheap and clean energy. This study presents a GIS-based methodology GIS for prospecting of forest biomass power plants in the state of Minas Gerais, Brazil. First, the suitable zones for the development of the activity were identified by combining various environmental and social factors, along with State road network infrastructure, applying fuzzy logic. In a second step, a location-allocation model was generated considering only the most suitable areas for the plants development, the spatial availability of raw materials and the existing road network. Various scenarios were simulated with different numbers of bioenergy plants, using a capacitated location- allocation model, in order to consume half of the state forests biomass stock. The best locations and the optimum number of power plants were found by minimizing transport distances of raw material to the factories.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:31:36Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-03-22Bitstream added on 2014-06-13T19:20:49Z : No. of bitstreams: 1 sanchezsantiago_fl_dr_botfca.pdf: 1332142 bytes, checksum: 95e0fedafe40c700ba8f5c62375d9105 (MD5) / A crise de combustíveis derivados de petróleo a partir do ano 1970 levou as empresas do ramo florestal avaliar a viabilidade técnica e econômica de reaproveitamento inteligente e racional de resíduos florestais como insumos energéticos até então descartados em seus processos nas florestas. A segurança da economia brasileira impõe medidas de aproveitamento mais eficaz do combustível e exige providências para intensificar a utilização de outras fontes energéticas brasileiras. Os custos de energia podem ser reduzidos pelo emprego de combustíveis mais econômicos e de produtos residuais (ANDRITZ, 1997). Em indústrias de produção de celulose e papel, o Eucalyptus é utilizado como fonte de matéria prima e para geração de energia térmica em forma de vapor, água quente e energia elétrica. A possibilidade de gerar energia com as cascas que permanecem na floresta após a colheita da madeira e resíduos florestais, tais como galhos de pequenos diâmetros das copas das árvores que são vendidos a terceiros foi o que motivou a realização deste trabalho. O presente trabalho tem por objetivo avaliar o potencial de energia a partir das cascas e resíduos florestais em uma fábrica de celulose, e através dos mesmos promover a geração de energia térmica em forma de vapor e geração própria de energia elétrica, melhorando a competitividade de... / The crisis of fuels derived from petroleum from 1970 led the forest branch companies evaluate the technical and economic viability of reusing intelligent and rational of forest residues as energy inputs until then discarded in their processes in forests. The security of Brazilian economy imposes measures of more effective utilization of fuel and requires actions to increase the use of other energy sources in Brazil. Energy costs can be reduced by employing of more economical fuels and waste products (ANDRITZ 1997). In industries of cellulose and paper production, the Eucalyptus is used as a source of raw material for thermal energy generation in the form of steam, hot water and electricity. The possibility to generate power with the barks that remain in the forest after the harvesting of wood and forest residues such as small diameter branches of the tree tops that are sold to the third parties, was what motivated this work. This study aims to evaluate the potential energy from the barks and forest residues in a cellulose plant, and through them to promote the generation of thermal energy in the form of steam and own generation of electricity, improving the competitiveness of its products through reduction of costs and, at the same time, contributing to the expansion of the base of electric power generation in the country. To conduct... (Complete abstract click electronic access below)

Made available in DSpace on 2016-06-02T18:57:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4585.pdf: 3982534 bytes, checksum: e0d9b8f2f41f1b6d65989b77ee23cf20 (MD5) Previous issue date: 2012-06-22 / Many farmers consider Agroecology a tool to produce sustainably. By changing their production systems, changing crops and inputs applied, aiming at a sustainable system, the family farmer search a transition agroecology. However, few among them can produce or advance in agroecological transition. A reason for this difficulty may be related to biomass production in quantity and quality to ensure the agroecosystems sustainability. The family agroecosystems tend to have greater biodiversity than large farms due to a tendency to polycultures, self, family pluriactivity, among other strategies. In this local biodiversity, plants play a key role and can be considered co-products. This study aimed to characterize a unit of production and family life (UPVF) adopting management practices aimed at agroecological transition, to discuss the importance of plant biomass in this transition process and to propose alternatives to achieve the fertility system. The research was developed at Iperó in Ipanema Farm settlement in the State of Sao Paulo. The UPVF studied occupies a plot of eight hectares and is divided into seven sectors of production. The family with whom this work was developed live in the settlement since 1992. The research aimed to detail the system features and the complexity of relationships in order to describe and analyze a case study setting. It was found that the biomass produced in UPVF did not meet the nutritional demand of the main sector of commercial product, the banana orchard. The proposed redesign sought to ally virtuous experiences and scenic beauty, attractive for humans. Thus, the UPVF redesign aimed at promoting the cradle areas of fertility, assisted in the production of plant biomass in abundance and quality (diversity), preferably in well accessible, as the surrounding residences, places of daily traffic and nearby areas containment of animals. Thus, it is expected to 16 contribute to the sense of pride in the family for the successful transformation of the local landscape and the awareness of what it represents. / Muitos agricultores familiares consideram a Agroecologia a base para se produzir de forma sustentável. Com base nos princípios agroecológicos, alguns deles alteram seus sistemas produtivos, modificam os cultivos e os insumos aplicados. Entretanto, poucos conseguem produzir ou avançar no sentido de obter uma produção sustentável, em termos ambientais e econômicos. Entre os possíveis fatores que dificultam essa transição agroecológica constata-se a dificuldade para produzir biomassa em quantidade e qualidade que garanta a sustentabilidade desses agroecossistemas. Os agroecossistemas familiares tendem a apresentar maior biodiversidade em relação às grandes propriedades rurais em função da tendência aos policultivos, autoconsumo, pluriatividade familiar, entre outras estratégias. Dentro dessa biodiversidade local, os vegetais desempenham um papel fundamental e podem ser considerados coprodutos da unidade produtiva. Esta pesquisa teve por objetivos caracterizar uma unidade de produção e vida familiar (UPVF) que adota práticas de manejo visando a transição agroecológica e propor alternativas de manejo para aumentar a produção de biomassa vegetal nesse processo de transição. A pesquisa se desenvolveu em Iperó, no assentamento Fazenda Ipanema, no Estado de São Paulo. A UPVF estudada ocupa um lote de oito hectares e está dividida em sete setores de produção. A família com quem se desenvolveu este trabalho vive no assentamento desde 1992. A pesquisa buscou detalhar as especificidades do sistema e a complexidade das relações, de forma a descrever e analisar a UPVF escolhida, estabelecendo um estudo de caso. Constatou-se que a biomassa produzida na UPVF não atendeu à demanda nutricional do principal setor de produção comercial do lote, o pomar de bananeiras. O redesenho proposto buscou aliar experiências bem sucedidas e beleza paisagística, um 14 atrativo para os seres humanos. Assim, o redesenho da UPVF teve por meta favorecer as áreas berço de fertilidade, apoiadas na produção de biomassa vegetal em abundância e qualidade (diversidade), de preferência, em locais bem acessíveis, como o entorno das residências, locais de trânsito diário e proximidades das áreas de confinamento dos animais. Dessa forma, espera-se contribuir para o sentimento de orgulho na família pelo êxito na transformação da paisagem local e a consciência do que ela representa.

Orientador: Marcos Antonio de Rezende / Banca: Mário de Oliveira Neto / Banca: José Roberto Correa Saglietti / Banca: Vladimir Eliodoro Costa / Banca: Fred Williand Calonego / Resumo: A crise de combustíveis derivados de petróleo a partir do ano 1970 levou as empresas do ramo florestal avaliar a viabilidade técnica e econômica de reaproveitamento inteligente e racional de resíduos florestais como insumos energéticos até então descartados em seus processos nas florestas. A segurança da economia brasileira impõe medidas de aproveitamento mais eficaz do combustível e exige providências para intensificar a utilização de outras fontes energéticas brasileiras. Os custos de energia podem ser reduzidos pelo emprego de combustíveis mais econômicos e de produtos residuais (ANDRITZ, 1997). Em indústrias de produção de celulose e papel, o Eucalyptus é utilizado como fonte de matéria prima e para geração de energia térmica em forma de vapor, água quente e energia elétrica. A possibilidade de gerar energia com as cascas que permanecem na floresta após a colheita da madeira e resíduos florestais, tais como galhos de pequenos diâmetros das copas das árvores que são vendidos a terceiros foi o que motivou a realização deste trabalho. O presente trabalho tem por objetivo avaliar o potencial de energia a partir das cascas e resíduos florestais em uma fábrica de celulose, e através dos mesmos promover a geração de energia térmica em forma de vapor e geração própria de energia elétrica, melhorando a competitividade de... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The crisis of fuels derived from petroleum from 1970 led the forest branch companies evaluate the technical and economic viability of reusing intelligent and rational of forest residues as energy inputs until then discarded in their processes in forests. The security of Brazilian economy imposes measures of more effective utilization of fuel and requires actions to increase the use of other energy sources in Brazil. Energy costs can be reduced by employing of more economical fuels and waste products (ANDRITZ 1997). In industries of cellulose and paper production, the Eucalyptus is used as a source of raw material for thermal energy generation in the form of steam, hot water and electricity. The possibility to generate power with the barks that remain in the forest after the harvesting of wood and forest residues such as small diameter branches of the tree tops that are sold to the third parties, was what motivated this work. This study aims to evaluate the potential energy from the barks and forest residues in a cellulose plant, and through them to promote the generation of thermal energy in the form of steam and own generation of electricity, improving the competitiveness of its products through reduction of costs and, at the same time, contributing to the expansion of the base of electric power generation in the country. To conduct... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor